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新型磁自旋材料有望成就未來(lái)內(nèi)存

2017-09-11 09:46:09 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：電子工程專輯分享至：

skyrmion材料的穩(wěn)定性可用于實(shí)現(xiàn)未來(lái)的內(nèi)存。就像許多新興的內(nèi)存技術(shù)一樣，其潛力在于讓組件能在使用更少功率的情況下容納更多的信息…

新加坡科技研究局（A * STAR）和南洋理工大學(xué)（NTU）的研究人員制作出一種新型薄膜材料，可用于控制一種稱為“磁斯格明子”（magnetic skyrmions）的磁自旋架構(gòu)大小和密度——這種磁自旋架構(gòu)是打造基于skyrmion的內(nèi)存組件之關(guān)鍵。

A * STAR/NTU的這項(xiàng)最新發(fā)現(xiàn)已刊登于《自然材料》（Nature Materials）期刊中。該研究報(bào)告的主要作者—— 研究人員Anjan Soumyanarayanan指出，“斯格明子”（skyrmion）理論上是由英國(guó)物理學(xué)家Tony Skyrme在1962年提出的。1989年首次出現(xiàn)有關(guān)磁斯格明子的預(yù)測(cè)，并于2009年時(shí)被發(fā)現(xiàn)如同結(jié)晶材料一樣存在-250℃的極低溫下。

Soumyanarayanan說(shuō)：“這溫度真的很低，而且?guī)缀鯚o(wú)法使用。”

從而時(shí)起，這種材料在內(nèi)存的應(yīng)用一直相當(dāng)激勵(lì)人心，特別是在2013年經(jīng)由連續(xù)的金屬堆棧中發(fā)現(xiàn)室溫skyrmion之后。他說(shuō)：“那真是改寫了原有游戲規(guī)則。”

Skyrmion材料的穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)未來(lái)內(nèi)存愿景的一部份。就像許多新興的內(nèi)存技術(shù)一樣，其潛力在于讓組件能在使用更少功率的情況下容納更多的信息。Soumyanarayanan說(shuō)：“它們真的非常小，而且極其穩(wěn)定。”

他并補(bǔ)充說(shuō)，其潛力并不只是實(shí)現(xiàn)較小的非揮發(fā)性內(nèi)存組件，而是更小一個(gè)數(shù)量級(jí)。“skyrmon甚至可能影響幾十年的內(nèi)存開發(fā)藍(lán)圖。”

A * STAR/NTU的研究論文中描述了研究人員如何為這些微小的skyrmion進(jìn)行電氣檢測(cè)——這些微小顆粒狀的磁性結(jié)構(gòu)，比紅血球更小約400倍。它們可以用磁性材料制成，而其于小尺寸時(shí)的穩(wěn)定性則使其成為內(nèi)存組件的理想選擇。

Magnetic-Skyrmions在均勻磁化背景下的磁斯格明子（magnetic skyrmions）數(shù)組

在一般的鐵磁體中，磁矩或自旋均相互平行排列，以形成任意尺寸的均勻磁化狀態(tài)。相形之下，Soumyanarayanan解釋說(shuō)，skyrmion則是一種尺寸受限的自旋結(jié)構(gòu)。在skyrmion中心的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)與背景相反。以對(duì)掌方式圍繞著中心旋轉(zhuǎn)，并順利地恢復(fù)至背景方向。skyrmion圍繞中心旋轉(zhuǎn)的自旋結(jié)構(gòu)有點(diǎn)類似在水池中所生產(chǎn)的漩渦。

但是，以skyrmion的發(fā)生行為來(lái)思考可能更有用。他說(shuō)，skyrmion表現(xiàn)的就像納米級(jí)磁性顆粒，可以用磁性顯微觀察到，包括其自行組織成循序的陣序或晶格。他們可以透過(guò)電流單獨(dú)制作、移動(dòng)以及刪除。他說(shuō)：“他們就好像是棋盤上的棋子一樣。”

研究人員們?yōu)閟kyrmion開發(fā)了一種新的多層薄膜平臺(tái)，由銥（Ir）、鐵（Fe）、鈷（Co）和鉑（Pt）分層依序堆棧。Soumyanarayanan說(shuō)：“這四個(gè)分層被重復(fù)堆棧數(shù)次，以產(chǎn)生完整的堆棧結(jié)構(gòu)。”多層膜使用濺射技術(shù)沉積在CMOS兼容的硅基底上，這是目前用于商業(yè)開發(fā)內(nèi)存組件的制造工藝。

“這種材料平臺(tái)讓我們能直接控制磁的相互作用，藉由改變建構(gòu)層的厚度，管理skyrmion的特性。這使我們得以將skyrmion的大小改變2倍，提高其穩(wěn)定度與密度達(dá)10倍。”Soumyanarayanan說(shuō)，它還讓研究人員針對(duì)組件要求量身打造skyrmion配置，同時(shí)采用業(yè)界兼容的制造技術(shù)。研究人員還展示了環(huán)境skyrmion的電子檢測(cè)，即所謂的“霍爾效應(yīng)”（Hall），這也是實(shí)現(xiàn)組件應(yīng)用所必需的。 Magnetic-Skyrmions-1

左：以Ir/Fe/Co/Pt依序堆棧的多層堆棧；右：放大其中的一個(gè)Ir/Fe/Co/Pt堆棧

A*STAR和NTU在兩年多前展開了一個(gè)關(guān)于skyrmion的共同研究計(jì)劃，并且花了一年多的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬，最終確認(rèn)了這種特定的多層堆棧結(jié)構(gòu)非常適合解決這個(gè)問(wèn)題。Soumyanarayanan表示：“到目前為止，這是一種由可調(diào)諧skyrmion組成的獨(dú)特材料。”

Soumyanarayanan指出，盡管全球各地的幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在2015-16年間發(fā)現(xiàn)了室溫skyrmion，但卻無(wú)法發(fā)展出可調(diào)諧的skyrmion特性或電氣檢測(cè)，但這卻是將薄膜移至組件的關(guān)鍵要素。美國(guó)加州勞倫斯伯克利（Lawrence Berkeley National Laboratory；LBNL）實(shí)驗(yàn)室也一直在與A*STAR和NTU合作進(jìn)行相關(guān)研究。

研究人員必須克服的下一個(gè)障礙是在制造組件的同時(shí)，也確保磁性的一致。Soumyanarayanan說(shuō)，在納米結(jié)構(gòu)中管理skyrmion穩(wěn)定性的實(shí)體機(jī)制及其讀寫等節(jié)，還有待完全確定，盡管他對(duì)此抱持樂(lè)觀看法，但并不打算揣測(cè)時(shí)間表。“一旦我們能以更合理的電氣參數(shù)，在組件中證實(shí)具確定性的讀取與寫入，并證實(shí)這些現(xiàn)象的可擴(kuò)充性與可重復(fù)性，那么就意味著這項(xiàng)技術(shù)成熟，足以實(shí)現(xiàn)商用化了。”

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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