Durchbruch in der Spintronik: Forscher verlängern Lebensdauer mikroelektronischer Geräte erheblich

BerlinWissenschaftler der University of Minnesota Twin Cities haben neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie Mikroelektronikgeräte im Laufe der Zeit verschleißen. Diese Informationen können dazu beitragen, das Design dieser Geräte zu verbessern. Im Mittelpunkt der Studie standen spintronische magnetische Tunnelübergänge (MTJs), die in fortschrittlichen Speichertechnologien wie Magnet-RAM (MRAM) eingesetzt werden könnten. Ziel ist es, Datenspeichersysteme effizienter und langlebiger zu machen.

Forscher dieser Studie nutzten fortschrittliche Elektronenmikroskope, um die winzigen Teile nanostrukturierter MTJs auf atomarer Ebene in Echtzeit zu untersuchen. Sie stellten fest, dass ein konstanter Stromfluss die kleinen Säulen in diesen Strukturen verengt und schließlich dazu führt, dass die Geräte nicht mehr funktionieren. Dieses Problem trat bei viel niedrigeren Temperaturen auf als erwartet, was zeigt, dass diese winzigen Materialien einzigartige Eigenschaften, einschließlich unterschiedlicher Schmelzpunkte, besitzen.

Wichtige Entdeckungen umfassen:

• Echtzeitbeobachtung von Gerätedegradation mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM).
• Erkennung von "Mikrorissen" als frühe Anzeichen von Geräteausfällen.
• Überraschend niedrige Temperaturschwellen für den Materialabbau.

Diese Erkenntnisse sind von großer Bedeutung für die Halbleiterindustrie. Durch das Verständnis, wie Materialien auf molekularer Ebene abgebaut werden, können wir das Design von Speichereinheiten verbessern. Die Forschung zeigt, dass durch Änderungen in der Zusammensetzung und Struktur dieser Materialien neue mikroelektronische Geräte länger halten und besser funktionieren können. Dies macht sie zuverlässiger für verschiedene Anwendungen wie smarte Wearables und künstliche Intelligenz.

Die Untersuchung zeigt, dass das Beobachten von Geräten während ihres Betriebs (mit Strom und Spannung) wesentlich detailliertere Informationen liefert. Dies stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber älteren Methoden dar und ermöglicht ein besseres Verständnis der Materialeigenschaften.

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Es gibt großes Potenzial für bedeutende Fortschritte bei MRAM- und anderen spintronischen Geräten. Diese Technologien bieten eine bessere Energieeffizienz und Geschwindigkeit, sodass Entwicklungen in diesem Bereich zu einer weiteren Verbreitung beitragen könnten. In der Zukunft könnten daraus effizientere und langlebigere Speicherlösungen für Computer, Smartphones und KI-Systeme entstehen.

Zusammenarbeit ist entscheidend bei dieser wichtigen Aufgabe. Fachleute der Universität von Minnesota und der Universität von Arizona arbeiten gemeinsam und zeigen die Vorteile interdisziplinärer Kooperation. Die Finanzierung durch die National Science Foundation (NSF) und die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) unterstreicht die bedeutende Rolle dieser Forschung bei der Weiterentwicklung der nationalen Technologie.

Die Zusammenarbeit des Teams unterstreicht die Bedeutung von Einrichtungen wie dem Characterization Facility der University of Minnesota und dem Minnesota Nano Center. Diese Zentren sind unerlässlich für den Fortschritt in der Materialwissenschaft und der Halbleiterforschung.

Diese Studie beleuchtet, wie Mikroelektronikgeräte der nächsten Generation versagen und schafft die Basis für künftige Innovationen, die die Datenspeichertechnologie robuster und effizienter machen könnten.