Объявление победителя стипендии Стэнфордского колледжа передовых материалов 2025 года

Мы рады сообщить, что получателем стипендии колледжа Stanford Advanced Materials на 2025 год стала:

Брахмдутта Диксит
Университет Миннесоты в городах-побратимах
Факультет электротехники и вычислительной техники, аспирант третьего года обучения

В своем исследовании Диксит предлагает новую конструкцию на основе вольфрама, тантала и ниобия, которая позволяет повысить эффективность полупроводниковых устройств со спин-орбитальным моментом (SOT) и снизить критическую плотность тока. Его работа дает ценные знания для разработки будущих высокопроизводительных электронных устройств с низким энергопотреблением.

Стипендия колледжа Stanford Advanced Materials присуждается выдающимся молодым ученым, продемонстрировавшим исключительные инновации и интеллектуальные способности в области исследования и применения материалов. Мы от всей души поздравляем Брахмдутту Диксит с этим достижением и одновременно выражаем искреннюю благодарность всем соискателям. Благодаря энтузиазму многих выдающихся ученых, сам процесс отбора стал академическим обменом на высоком уровне, позволяющим заглянуть в захватывающее будущее материаловедения.

Для получения более подробной информации о нашей стипендиальной программе и будущих возможностях, пожалуйста, нажмите здесь.

Проект-победитель:

Оригинальная заявка победителя: Brahmdutta_Dixit_Stanford_Advanced_Materials_Scholarship_2025_Submission.pdf

Редкометаллическая спинтроника: Ni₄W - TaIrTe₄/NbIrTe₄ Платформы с низкой симметрией для детерминированной MRAM

Аннотация:

Спинтроника - это увлекательная область, богатая физикой, которая выходит за рамки управления зарядом для хранения данных. Она использует спин электрона для разработки энергонезависимых запоминающих устройств (NVM) с высокой степенью защиты, низким энергопотреблением и низкой задержкой. Из различных поколений MRAM и механизмов переключения [1], как показано на рисунке 1, существует два основных класса магнитной памяти с произвольным доступом (MRAM), принятых в промышленности: спин-трансферный момент (STT) и спин-орбитальный момент (SOT). STT-MRAM исторически страдает от ограниченной выносливости и более высокой частоты битовых ошибок, поскольку использует один и тот же путь для чтения и записи. В отличие от этого, SOT-MRAM решает эти проблемы за счет разделения путей чтения и записи. В SOT-MRAM имеется канал из тяжелого металла для создания спин-орбитальной связи (SOC). Устройства SOT с использованием редких металлов обещают сверхнизкую энергию, магнитное переключение без поля для NVM следующего поколения и вероятностного/индивидуального оборудования.

Моя текущая работа сосредоточена на различных тяжелых металлах с низкой симметрией, таких какNi4W, PtW (сплав) и полуметаллических халькогенидах с низкой симметрией редких металлов, таких как TaIrTe₄ и NbIrTe₄. Их высокая SOC, большие рабочие функции и богатая межфазная химия помогают достичь детерминированного переключения SOT MRAM.

Рисунок 1: (a) Поколение MRAM: переключение, STT, термически поддерживаемые, SOT и оптически поддерживаемые архитектуры. (b) Соответствующие динамические режимы: fs-ps (сверхбыстрое размагничивание, спиновая релаксация, когерентная прецессия), ps-ns (спиновые моменты), ns-µs (динамика доменных стенок и STT) и далее (тепловые эффекты и магнитное удержание) [1].

Основываясь на этом, используя совместимое с промышленностью магнетронное распыление, мы вырастили высококачественные эпитаксиальные тонкие пленки Ni₄W и сообщили о высокой эффективности SOT в 0,73, эта работа недавно была опубликована в журнале Advanced Materials. Расширяя эту работу, теперь мы нацелены на настройку уровня Ферми в Ni₄W через контроль стехиометрии вольфрама и легирование кобальтом в Ni4W для выравнивания электронных состояний с пиками в спин-холловской проводимости (SHC), тем самым повышая эффективность SOT и снижая критическую плотность тока. Параллельно я создаю устройства на основе двумерных чешуек Холла на основе отшелушенного TaIrTe₄ и NbIrTe₄, чтобы использовать присущую им низкую симметрию для нетрадиционной спиновой поляризации и переключения с управлением затвором.

Статья

Редкие металлы, такие как вольфрам (W), тантал (Ta) и ниобий (Nb), представляют собой наиболее перспективные на сегодняшний день SOT-MRAM на основе спинтроники. При размещении рядом с ультратонким ферромагнитом, таким как пермаллой (Py) и CoFeB, эти тяжелые элементы преобразуют ток заряда в поперечные спиновые токи за счет сильной SOC. Поляризованные инжектированные спины могут изменять состояние магнита; это и есть основа SOT-памяти. По сравнению с традиционными КМОП-накопителями, такими как NAND-флэш, SOT-устройства отличаются нестабильностью, наносекундной записью и сверхнизкой энергией на бит, что делает их привлекательными для кэш-памяти типа MRAM, краевых ускорителей ИИ и вероятностных вычислений в памяти.

Широкое применение SOT-MRAM ограничивают две основные проблемы: (1) критическая плотность тока (Jc), необходимая для быстрого переключения, и (2) необходимое внешнее магнитное поле для нарушения симметрии в устройствах с перпендикулярной магнитной анизотропией (PMA). В этой статье я попытаюсь объяснить, как Ni₄W и вейловые полуметаллы с низкой симметрией (TaIrTe₄ и NbIrTe₄) непосредственно решают вышеупомянутые проблемы, и изложу экспериментальную дорожную карту нескольких проектов, над которыми я сейчас работаю. В конце я расскажу о том, как мои исследования охватывают весь спектр от материаловедения до изготовления устройств и их применения в промышленности.

1) Источник SOT на основе Ni₄W со встроенным нарушением симметрии:

В нашем недавнем исследовании, показанном на рисунке 2 (опубликованном на первой странице журнала Advanced Materials Journal) [2,3], мы обнаружили, что Ni₄W - это интерметаллид с высоким содержанием вольфрама. Его кристаллические ориентации с низкой симметрией поддерживают разнонаправленное накопление спинов, что позволяет при правильном взаимодействии переключать перпендикулярные магнитные туннельные переходы (p-MTJs) без поля. На практике это означает, что мы можем отказаться от постоянных магнитов или катушек внешнего поля, что критично для площади, надежности и мощности.

Помимо симметрии, Ni₄W может обеспечить высокую эффективность SOT, которая составляет 0,73. Коэффициент полезного действия, эффективный спиновый угол Холла или эффективность демпфирующего момента, чувствительно зависит от электронных состояний вокруг уровня Ферми (УФ). Пики спиновой кривизны Берри и "горячие точки" в структуре полосы могут усиливать преобразование заряда в спин.

Рисунок 2: Схематическое изображение Ni₄W(211)/CoFeB, подчеркивающее спины, ориентированные в нескольких направлениях. (b) Структурное представление тетрагонального кристалла Ni₄W. (c) XRD θ-2θ-скан для Al2O3(0001)/W (2 нм)/Ni4W (30 нм)/CoFeB (5 нм)/крышка. Вставка: кривая качания отражения Ni4W(211) (FWHM = 0,084°). (d) Сравнение обычных (в плоскости) и внеплоскостных спиновых холловских углов Ni₄W с ведущими SOT-материалами. (e) Карта реципрокного пространства того же стека, построенная в координатах сапфира [2].

2) Настройка уровня Ферми с помощью стехиометрии W и совместного легирования Co:

В настоящее время я систематически настраиваюEF в Ni₄W путем легирования дырок, регулируя содержание вольфрама и вводя легкое со-допирование кобальтом (Co).

Рисунок 3: Спин-холловские углы для Ni₄W(211). Зеленым, желтым и синим отмечены θY, θZ и θX; сплошная и пунктирная кривые обозначают два ортогональных направления тока. Здесь красная пунктирная линия показывает наивысшее значение SHA, которое может быть достигнуто для данного ферми-уровня [2].

Как показано на рисунке 3, цель состоит в том, чтобы совместитьEF с максимумом SHC (красная пунктирная линия), что должно (а) увеличить эффективность демпфирующего момента (увеличение спинового тока, поступающего в ферромагнит). (b) Снизить Jcдля наносекундного переключения. (c) Сохранить низкое удельное сопротивление и термическую стабильность, необходимые для плотной интеграции в заднюю часть линии (BEOL). Например, в настоящее время Globalfoundries использует STT-MRAM на 22-нм FDX и 28-нм КМОП-платформе HKMG между металлическими линиями M4-M5 BEOL.

3) Мой подход к исследованию сплава Ni4W и SOT, легированных Co:

Я наношу Ni₄W (211) на сапфировые подложки с помощью магнетронного распыления постоянного тока и выбираю ориентации, которые, как сообщается, максимизируют нетрадиционные спиновые компоненты. XRD/кривая качания и взаимно-пространственное картирование обеспечивают желаемую текстуру, а AFM и TEM оценивают качество интерфейса. Далее я провожу UPS/XPS мониторинг рабочей функции и состава Ni, W и Co в напыленных тонких пленках. Затем я напыляю ферромагнитный слой, такой как Py и CFB, для измерения SOT я провожу измерения второй гармоники Холла и спин-торкового FMR, извлекаю компоненты, похожие на демпфирование/поле. Далее, используя полоски Холла и p-MTJ, я количественно оцениваю вероятность переключения в зависимости от ширины импульса, масштабирование энергии-задержки и удержания.

4) Исследование СОТ вейловых полуметаллов TaIrTe₄ и NbIrTe₄ с низкой симметрией:

Как показано на рисунке 4, сплавы на основе редких металлов Ta и Nb, такие как TaIrTe₄ и NbIrTe₄, слоистые полуметаллы, имеют внутренне низкую кристаллическую симметрию. Такая низкая симметрия позволяет создавать нетрадиционные спиновые поляризации (включая OOP z-спин) под действием тока в плоскости. Это способствует переключению без поля, без дополнительных слоев, нарушающих симметрию.

Рисунок 4: (a) Кристаллическая структура вейлевых полуметаллов TaIrTe4 и NbIrTe4. (b) Данные рентгенографии TaIrTe4, полученные на рентгеновском аппарате на основе Co. (c), (d) Микроскопическое изображение узорчатого устройства Холла из стека TaIrTe4/Py/Ru до и после травления соответственно.

Я механически отшелушиваю чешуйки TaIrTe₄ и NbIrTe₄ из монокристаллов на изолирующиеподложки Si/SiO2 , напыляю ферромагнитный слой Py или CoFeB и формирую из них полоски Холла с помощью электронно-лучевой литографии, полный ход процесса представлен на рисунке 5. С помощью этих устройств Холла, я выполняю второй гармонический Холл, измеряю однонаправленный спин-магнитосопротивление (USMR) сигнал, и исследовать электростатического стробирования (HfO₂/Al₂O₃ диэлектрики) для модуляции объемного контроля магнитной анизотропии и эффект электрического поля.

Рисунок 5: Технологический процесс изготовления полос Холла в устройствах стека TaIrTe/Py/Ru для измерений второй гармоники и USMR.

5) Интеграция эффектов управления напряжением, таких как управляемая напряжением магнитная анизотропия:

В нашем недавнем исследовании [4], как показано на рисунке 6, мы показали, что настройка рабочей функции подслоя под CoFeB/MgO может заметно усилить VCMA. В стопкахW/PtxW1-x/CoFeB/MgO увеличение содержания Pt повышает рабочую функцию металла и разряжает электронами интерфейс CoFeB/MgO в равновесном состоянии, что усиливает отклик электрического поля на межфазную анизотропию. ИБП и XPS подтверждают сдвиг рабочей функции и межфазный перенос заряда. Регулируя содержание Pt, мы достигли коэффициента VCMA до ~ 8× больше, чем у чистого W, с наилучшими показателями уPt77W23.

6) Применение и влияние:

Мои проекты по новым низкосимметричным материалам, таким какNi4W, TaIrTe4и NbIrTe4, помогут промышленности адаптировать SOT-MRAM для кэш-памяти и встроенной памяти. Бесполевые стеки на основе этих редких металлов устраняют внешние поля и упрощают периферийные схемы. При оптимизированном легировании и симметрии кристалла энергия на бит может достигать фемтоджоулей, что напрямую способствует снижению энергопотребления в центрах обработки данных.

Рис. 6: (a) Схема поперечного сечения устройства с регулируемым холл-баром. (b) Выравнивание уровней энергии для CoFeB в пределе плоской полосы в паре с W, Pt₇₇W₂₃ или Pt и схема истощения электронов из CoFeB/MgO в подслой PtₓW₁₋ₓ с высокой рабочей функцией при тепловом равновесии. (c) Графики распределения (box plots) Ki и VCMA для различных сплавов PtxW1-x, используемых в качестве подслоя [4].

Эти новые устройства SOT-MRAM также могут быть использованы в вероятностных вычислениях и вычислениях в памяти. Управляя вероятностью переключения с помощью ширины импульса и напряжения на затворе, эти MRAM-устройства работают как p-биты или взвешенные сэмплеры, что в дальнейшем пригодится в ускорителях оптимизации и генеративного ИИ.

NVM на основе КМОП имеют проблемы с радиацией при исследовании космоса. SOT-MRAM открывает путь к безопасной и радиационно-стойкой электронике. Магнитные биты устойчивы к мягким ошибкам; стеки на основе редких металлов устойчивы к температуре и радиации, что важно для аэрокосмической отрасли.

Благодаря этим исследованиям мы можем ожидать следующих результатов, таких как: (i) карта легирования/стехиометрии для максимизации SOT в Ni₄W, (ii) переключение без поля в эксфолиированных полуметаллах с низкой симметрией, и (iii) пути интеграции для надежных, производимых SOT MRAM и стохастических вычислений. В более широком смысле, проект показывает, как редкие металлы (W, Ta, Nb) могут быть разработаны на уровне полосовой структуры для создания устойчивой, высокоэффективной электроники, продвигая как фундаментальную спинтронику, так и практические технологии памяти.

Биография

Брахмдутта Диксит -аспирант-исследователь3-го года обучения в лаборатории наномагнетизма и квантовой спинтроники Университета Миннесоты Твин-Ситис, штат Миннесота, США. Он имеет шестилетний опыт работы в промышленности и в академических кругах в области физики устройств, материаловедения и спинтроники. Его текущая работа посвящена редкометаллической спинтронике: эпитаксиальный Ni₄W как многонаправленный источник SOT; настройка уровня Ферми с помощью стехиометрии W и совместного легирования Co для повышения эффективности крутящего момента и уменьшения тока записи; и эксфолиированные TaIrTe₄/NbIrTe₄ устройства с полосой Холла для переключения без поля. Он интегрирует выращивание тонких пленок с XRD/UPS/XPS, ST-FMR, второй гармоникой Холла, AHE/USMR и совместно разрабатывает SOT с магнитной анизотропией с контролем напряжения (VCMA) и обменной связью с контролем напряжения (VCEC) для работы MRAM на несколько Дж. Ранее он работал инженером по устройствам/интеграции в GlobalFoundries (повышение производительности и улучшение технологического процесса по 14 нм FinFET, 28 нм HKMG и 40 нм NVM) и стажером по валидации передовых технологий в Advanced Micro. Devices (AMD) (методология и корреляция производительности на передовых узлах, таких как 3 нм и 5 нм FinFET). Ранее в Университете Вюрцбурга (Германия) он работал над 3D-стеками топологических изоляторов HgTe/CdHgTe/Py, выращенными методом MBE. Обладатель золотой медали по специальности B.Tech в Университете Мизорам, он является соавтором статей в журналах Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Physics Reports и ACS Nano.

Ссылки:

[1] Dikshit, Surya Narain, Arshid Nisar, Brahmdutta Dixit, et.al. "Optically assisted ultrafast spintronics: A review." Physics Reports 1140 (2025): 1-46. (IF: 29.5)

[2] Yang, Yifei, Seungjun Lee, Yu-Chia Chen, Qi Jia, Brahmdutta Dixit, et al. "Large Spin-Orbit Torque with Multi-Directional Spin Components in Ni4W." Advanced Materials (2025): 2416763. (IF: 26.8)

[3] Yang, Yifei, Seungjun Lee, Yu-Chia Chen, Qi Jia, Brahmdutta Dixit et al. "Large Spin-Orbit Torque with Multi-Directional Spin Components in Ni4W (Adv. Mater. 32/2025)." Advanced Materials 37, no. 32 (2025): e70089. (Cover Page)

[4] Chen, Yu-Chia, Thomas Peterson, Qi Jia, Yifei Yang, Shuang Liang, Brandon R. Zink, Yu Han Huang, Deyuan Lyu, Brahmdutta Dixit, and Jian-Ping Wang. "Большая и настраиваемая электронная анизотропия в системе CoFeB/MgO, управляемая напряжением, с помощью подслоев Pt x W1-x, созданных на основе рабочей функции". ACS nano 19, № 16 (2025): 15953-15962. (IF: 16.0)