In niet-vluchtige geheugentechnologieën kunnen 2D-materialen een grote sprong voorwaarts maken

Niet-vluchtige geheugens – die informatie kunnen vasthouden, zelfs wanneer de stroom is uitgeschakeld – worden grotendeels gebruikt in computers, tablets, pen-drives en vele andere elektronische apparaten. Van de verschillende bestaande technologieën wordt verwacht dat magnetoresistieve geheugens met willekeurige toegang (MRAM), die momenteel alleen in specifieke toepassingen worden gebruikt, de komende tien jaar aanzienlijk zullen groeien op de markt.

De nieuwste MRAM’s op basis van spintronische mechanismen – dwz fenomenen die verband houden met de spin, een intrinsieke eigenschap van elektronen en andere deeltjes – kunnen snellere bewerkingen, een lager energieverbruik en een lange retentietijd bieden, met mogelijke toepassingen in draagbare apparaten, de auto-industrie, en het internet der dingen, onder andere.

In deze context kunnen grafeen en andere 2D-materialen, die zo dun zijn als een of zeer weinig atomaire lagen, een verstorende rol spelen. In feite kunnen hun eigenaardige en opmerkelijke eigenschappen oplossingen bieden voor de huidige technologische uitdagingen en prestatiebeperkingen die een verdere efficiënte inzet van MRAM’s in de weg staan; daarom kunnen ze een sterke impact hebben op het ontwerp van spintronic-apparaten van de volgende generatie.

De verwachte verbetering en nieuwe kansen die kunnen voortvloeien uit de introductie van 2D-materialen in op spin gebaseerde geheugentechnologieën worden gepresenteerd in een perspectiefartikel dat vorige week is gepubliceerd in Natuur. Dit werk, geleid door het Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) op de campus van de Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), en de National University of Singapore, geeft een overzicht van de stand van zaken op dit gebied en van de huidige uitdagingen worden geconfronteerd bij de ontwikkeling van niet-vluchtige geheugens in het algemeen, en in het bijzonder, van geheugens die spintronische mechanismen gebruiken, zoals spin-overdrachtskoppel (STT) en spin-orbitkoppel (SOT). De auteurs bespreken de voordelen die de co-integratie van 2D-materialen in deze technologieën met zich meebrengt, waarbij ze een panorama geven van de reeds bereikte verbeteringen en een vooruitzicht op de vele vorderingen die verder onderzoek kan opleveren. Een mogelijke tijdlijn van vooruitgang in het volgende decennium wordt ook getraceerd.

“Zoals grondig besproken in de paper”, zegt ICREA-professor Stephan Roche, groepsleider bij de ICN2 en leider van het Graphene Flagship Work Package gewijd aan Spintronics, “de fundamentele eigenschappen van 2D-materialen zoals atomair gladde interfaces, verminderde materiaalvermenging, kristal symmetrieën en nabijheidseffecten zijn de drijfveren voor mogelijke ontwrichtende verbeteringen voor spin-gebaseerde MRAM’s. Deze komen naar voren als sleuteltechnologieën met een laag vermogen en zullen naar verwachting zich over grote markten verspreiden, van embedded geheugens tot het internet der dingen.”

Dit onderzoek werd gecoördineerd door ICN2-groepsleiders en ICREA-hoogleraren prof. Stephan Roche en prof. Sergio O. Valenzuela, en door prof. Hyunsoo Yang van de National University of Singapore. Het werd uitgevoerd door een samenwerking van verschillende leden van het Graphene Flagship-projectconsortium, waaronder verschillende instituten van het Centre national de la recherche scientifique (CNRS, Frankrijk), Imec (België), Thales Research and Technology (Frankrijk) en de Franse Atomic Energy Commission (CEA), evenals belangrijke industrieën zoals Samsung Electronics (Zuid-Korea) en Global Foundries (Singapore), die de visie van toekomstige marktintegratie brengen.

“Het is indrukwekkend om de wetenschappelijke resultaten te zien die zijn bereikt door het spintronica-werkpakket en de technologische activiteiten die in de imec-omgeving worden uitgevoerd, samen met kmo’s (Singulus Technologies, GRAPHENEA), die de weg vrijmaken voor toekomstige impact op markttoepassingen”, zegt prof. Jari Kinaret, directeur van het vlaggenschip Graphene. “Er zijn nog uitdagingen die moeten worden overwonnen om het potentieel van 2D-materialen volledig in te zetten in real-life toepassingen, maar de verwachte industriële en economische voordelen zijn zeer hoog.”

“Financieringsinspanningen van de Europese Commissie om de Graphene Flagship-activiteiten te ondersteunen, zouden Europa binnen tien jaar aan de leiding kunnen stellen van innovatieve spintronic-technologieën”, voegt prof. Andrea Ferrari, Science and Technology Officer van het Graphene Flagship toe.