Исследовательская группа Национального института материаловедения (NIMS) разработала магнитный туннельный переход (MTJ) с туннельным барьером из высокоэнтропийного оксида, состоящего из нескольких металлических элементов. Этот MTJ одновременно продемонстрировал более сильную перпендикулярную намагниченность, более высокое отношение туннельного магнитосопротивления (TMR) (то есть относительное изменение электрического сопротивления при переключении направлений намагниченности двух ферромагнитных слоёв между параллельным и антипараллельным выравниванием) и более низкое электрическое сопротивление.
Свойства, которые могут способствовать разработке более компактных, ёмких и производительных жёстких дисков (HDD) и магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM)
Этот MTJ состоит из тонкого изолирующего слоя (туннельного барьера), расположенного между двумя ферромагнитными слоями. Он работает, позволяя электронам туннелировать через барьер посредством квантового туннелирования.
Оксид магния (MgO) в настоящее время является наиболее широко используемым материалом для туннельных барьеров из-за его способности создавать высокое отношение TMR, что позволяет значительно изменять электрическое сопротивление в зависимости от относительного направления намагниченности двух ферромагнитных слоёв. Однако из-за своей высокой высоты барьера MgO подавляет туннелирование электронов, что, в свою очередь, увеличивает общее электрическое сопротивление MTJ.
Для решения этой проблемы существует большой интерес к разработке новых материалов для туннельных барьеров, которые сохраняли бы высокие отношения TMR при одновременном снижении высоты барьеров, тем самым увеличивая туннельный ток.
Исследовательская группа NIMS успешно разработала высококачественный LiTiMgAlGaO — высокоэнтропийный оксид, состоящий из пяти металлических элементов, равномерно распределённых на атомном уровне, — в качестве материала для туннельного барьера. MTJ, включающий туннельный барьер из этого материала, продемонстрировал большую перпендикулярную магнитную анизотропию, отношение TMR, превышающее 80%, и высоту барьера, составляющую менее половины высоты барьера MgO.
Эти свойства увеличили туннельный ток и снизили электрическое сопротивление MTJ. Ожидается, что эти достижения будут способствовать разработке MRAM нового поколения, а также более высокоскоростных и ёмких HDD.
В будущих исследованиях научная группа стремится разработать материалы для туннельных барьеров с ещё более низким сопротивлением и более высокими отношениями TMR путём оптимизации как комбинаций, так и композиционных соотношений их составляющих элементов.
Кроме того, команда планирует продвигать более эффективный и практичный дизайн материалов, используя машинное обучение и другие методы, основанные на данных, тем самым способствуя разработке более ёмких и производительных MRAM и HDD.
Предоставлено Национальным институтом материаловедения.