東北大學(xué)的一組研究人員推出了一種具有巨大磁阻的新材料,為非易失性磁阻存儲器 (MRAM) 的發(fā)展鋪平了道路。
他們獨(dú)特發(fā)現(xiàn)的詳細(xì)信息發(fā)表在2023 年 5 月 29 日的《合金與化合物雜志》上。
如今,對能夠有效處理大量數(shù)字信息的硬件和傳感器的進(jìn)步需求從未如此強(qiáng)烈,尤其是在政府部署技術(shù)創(chuàng)新以實(shí)現(xiàn)更智能的社會的情況下。
這些硬件和傳感器中的大部分都依賴于 MRAM 和磁傳感器,而隧道磁阻器件構(gòu)成了此類設(shè)備的大部分。
隧道磁阻器件利用隧道磁阻效應(yīng)來檢測和測量磁場。這與磁隧道結(jié)中鐵磁層的磁化有關(guān)。當(dāng)磁鐵對齊時,會觀察到低電阻狀態(tài),電子可以很容易地穿過它們之間的薄絕緣屏障。當(dāng)磁體未對齊時,電子的隧穿效率會降低并導(dǎo)致更高的電阻。這種電阻變化表示為磁阻比,這是決定隧道磁阻器件效率的關(guān)鍵指標(biāo)。磁阻比越高,器件越好。
目前的隧道磁阻器件包括氧化鎂和鐵基磁性合金,如鐵鈷合金。鐵基合金在環(huán)境條件下具有體心立方晶體結(jié)構(gòu),在含有巖鹽型氧化鎂的器件中表現(xiàn)出巨大的隧道磁阻效應(yīng)。
有兩項(xiàng)著名的研究使用這些鐵基合金生產(chǎn)了顯示高磁阻比的磁阻器件。2004年第一屆由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所和IBM合作;第二次發(fā)生在 2008 年,當(dāng)時東北大學(xué)的研究人員報告稱,室溫下的磁阻比超過 600%,在接近零開爾文的溫度下躍升至 1000%。
自從這些突破以來,各種研究所和公司在珩磨設(shè)備物理、材料和工藝方面投入了大量精力。然而,除了鐵基合金外,只有一些赫斯勒型有序磁性合金表現(xiàn)出如此巨大的磁阻。
日本東北大學(xué)的 Tomohiro Ichinose 博士和 Shigemi Mizukami 教授最近開始探索熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)材料,以開發(fā)一種能夠展示類似磁阻比的新材料。為此,他們專注于具有體心立方亞穩(wěn)態(tài)晶體結(jié)構(gòu)的鈷錳合金的強(qiáng)磁性。
“鈷錳合金具有面心立方或六方晶體結(jié)構(gòu)作為熱力學(xué)穩(wěn)定相。由于這種穩(wěn)定相表現(xiàn)出弱磁性,因此從未將其作為隧道磁阻器件的實(shí)用材料進(jìn)行研究,”Mizukami 說。
早在 2020 年,該小組就報道了一種使用具有亞穩(wěn)態(tài)體心立方晶體結(jié)構(gòu)的鈷錳合金的設(shè)備。
他們利用數(shù)據(jù)科學(xué)和/或高通量實(shí)驗(yàn)方法,以這一發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ),通過向亞穩(wěn)態(tài)體心立方鈷錳合金中添加少量鐵,成功地在器件中獲得了巨大的磁阻。磁阻比在室溫下為350%,在低溫下也超過1000%。此外,器件制造采用濺射法和加熱工藝,與當(dāng)前行業(yè)兼容。
Mizukami 補(bǔ)充說:“我們已經(jīng)生產(chǎn)出第三種新型磁性合金,用于隧道磁阻器件,顯示出巨大的磁阻,它為未來的改進(jìn)設(shè)定了一個替代方向。”
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