Interfacial structure control for domain wall memories with low-power consumption

低功耗畴壁存储器的界面结构控制

• 批准号: 20H02196
• 负责人: 小峰 啓史
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: Ibaraki University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H02196/
• 关键词: スピン軌道トルク; 電界制御; 磁気メモリ; 低消費電力; 界面制御; 磁壁移動型メモリ; トポロジカル絶縁体; 低電力動作; 磁性絶縁体; ダンピング定数の電界制御; スピン波情報処理; 閾値電流; 磁気トポロジカル絶縁体; 磁気異方性の電界制御; FET型メモリ素子

本研究では、電荷-スピン変換を磁壁に効率よく伝達するため、トポロジカル絶縁体と磁性体の界面状態を理解する。磁性層/トポロジカル絶縁層界面の電子状態解析、及び、異常ホール抵抗等のハーモニック解析を通じて、大きな界面スピン軌道トルクを誘起するための材料および界面制御方法を探索する。低電流駆動、及び、ロバストネス向上のため、磁壁ピニング効果を抑制するための軟磁性被覆構造も併行して検討し、低消費電力・高速動作を両立する基本原理を明らかにする。導入したSb用Kセルおよび既設のBi用セルを組み合わせを検討し、組成を変えたBi-Sb薄膜および磁性膜との積層構造を作製した。3次元トポロジカル絶縁体となるSb量10~20at.%の制御が可能な成膜条件を整え、各種単結晶基板上にBi-Sb薄膜を形成した。構造解析、電気特性解析から、スピン軌道トルクを誘起するのに十分と思われるBi-Sb薄膜を得た．Bi-Sb薄膜への金属磁性層積層を試みたところ、界面構造の乱れが顕著となることがわかり、磁性絶縁体層とBi-Sb層の積層構造の形成への移行を進めている。一方、磁性トポロジカル絶縁体の応用として、低消費電力で磁化反転を実現出来るFET型素子を提案した。ゲート電圧による磁気異方性制御およびソースードレイン電界によるスピン軌道トルクを組み合わせることで、低消費電力な磁気メモリが形成出来ることを明らかにした。この素子の書き込みエラー率を詳細に調べたところ、従来磁気トンネル接合で議論されている異方性電圧制御に比べて、著しくエラー率が改善出来ることを明らかにした。また、磁気異方性の電圧制御はリザバーコンピューティングへの展開が期待出来ることを明らかにした。

在这项研究中，我们将了解拓扑绝缘体和磁性材料之间的界面状态，以便有效地将电荷自旋转换转移到磁畴壁。通过磁性层/拓扑绝缘层界面的电子态分析和异常霍尔电阻的谐波分析，我们将探索诱导大界面自旋轨道扭矩的材料和界面控制方法。为了提高低电流驱动和鲁棒性，我们还将考虑采用软磁涂层结构来抑制畴壁钉扎效应，并阐明实现低功耗和高速运行的基本原理。我们研究了引入的 Sb K 电池和现有 Bi 电池的组合，并创建了具有不同成分的 Bi-Sb 薄膜和磁性薄膜的堆叠结构。通过创建可将 Sb 含量控制在 10 至 20 at.% 的成膜条件，在各种单晶衬底上形成 Bi-Sb 薄膜，从而形成三维拓扑绝缘体。通过结构和电性能分析，我们获得了似乎足以引起自旋轨道扭矩的 Bi-Sb 薄膜。当我们尝试在Bi-Sb薄膜上堆叠金属磁性层时，我们发现界面结构受到显着干扰，并且我们正朝着形成磁性绝缘体层和Bi-Sb层的堆叠结构迈进。另一方面，作为磁性拓扑绝缘体的应用，我们提出了一种可以以低功耗实现磁化反转的FET型元件。我们已经证明，通过结合使用栅极电压的磁各向异性控制和使用源漏电场的自旋轨道扭矩，可以创建低功耗的磁存储器。对该器件写入错误率的详细研究表明，与过去针对磁隧道结讨论过的各向异性电压控制相比，错误率可以得到显着改善。此外，磁各向异性的电压控制有望应用于储层计算。

项目成果

A Novel Technique for Controlling Anisotropic Ion Diffusion: Bulk Single‐Crystalline Metallic Silicon Clathrate

控制各向异性离子扩散的新技术：块状单晶金属硅包合物

• DOI: 10.1002/adma.202106754
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 29.4
• 作者: Iwasaki Suguru;Morito Haruhiko;Komine Takashi;Morita Kazuki;Shibuya Taizo;Nishii Junji;Fujioka Masaya
• 通讯作者: Fujioka Masaya

Room-temperature magnetoresistance in Ni78Fe22/C8-BTBT/Ni78Fe22 nanojunctions fabricated using magnetic thin-film edges

使用磁性薄膜边缘制造的 Ni78Fe22/C8-BTBT/Ni78Fe22 纳米结的室温磁阻

• 发表时间: 2022
• 作者: M. Matsuzaka; Y. Sasaki; K. Hayashi; T. Misawa; T. Komine; T. Akutagawa; M. Fujioka; J. Nishii; H. Kaiju
• 通讯作者: H. Kaiju

Ni78Fe22/Mq3(M = Al, Er)/Ni78Fe22 ナノ接合素子における室温磁気抵抗効果

Ni78Fe22/Mq3(M = Al, Er)/Ni78Fe22 纳米结器件的室温磁阻效应

• 发表时间: 2020
• 作者: 千秋賀英子;佐々木悠馬;中山雄介;三澤貴浩;小峰啓史;星野哲久;芥川智行;藤岡正弥;西井準治;海住英生
• 通讯作者: 海住英生

Voltage-control of damping constant in magnetic-insulator/topological-insulator bilayers

磁绝缘体/拓扑绝缘体双层中阻尼常数的电压控制

• DOI: 10.1063/5.0046217
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 4
• 作者: Chiba Takahiro;Leon Alej;ro O.;Komine Takashi
• 通讯作者: Komine Takashi

Voltage-Driven Magnetization Switching via Dirac Magnetic Anisotropy and Spin-Orbit Torque in Topological-Insulator-Based Magnetic Heterostructures

基于拓扑绝缘体的磁异质结构中通过狄拉克磁各向异性和自旋轨道扭矩的电压驱动磁化开关

• DOI: 10.1103/physrevapplied.14.034031
• 发表时间: 2020
• 影响因子: 4.6
• 作者: Chiba Takahiro;Komine Takashi
• 通讯作者: Komine Takashi