Verbetering van de geheugentechnologie: Multiferroïsche nanodots voor magnetische opslag met laag vermogen

Traditionele geheugenapparaten zijn vluchtig en de huidige niet-vluchtige apparaten zijn voor gegevensopslag afhankelijk van ferromagnetische of ferro-elektrische materialen. In ferromagnetische apparaten worden gegevens geschreven of opgeslagen door magnetische momenten uit te lijnen, terwijl in ferro-elektrische apparaten de gegevensopslag afhankelijk is van de uitlijning van elektrische dipolen.

Het opwekken en manipuleren van magnetische velden is echter energie-intensief, en bij ferro-elektrische geheugenapparaten vernietigt het lezen van gegevens de gepolariseerde toestand, waardoor de geheugencel opnieuw moet schrijven.

Multiferroïsche materialen, die zowel ferro-elektrische als ferromagnetische ordes bevatten, bieden een veelbelovende oplossing voor efficiëntere en veelzijdigere geheugentechnologie. Kobalt-gesubstitueerde BiFeO₃ (BiFe_0,9Co_0,1O₃BFCO) is een multiferroïsch materiaal dat een sterke magneto-elektrische koppeling vertoont, wat betekent dat veranderingen in elektrische polarisatie de magnetisatie beïnvloeden.

Als gevolg hiervan kunnen gegevens worden geschreven met behulp van elektrische velden, wat energiezuiniger is dan het genereren van magnetische velden, en worden gelezen met behulp van magnetische velden, waardoor het destructieve uitleesproces wordt vermeden.

In een belangrijke mijlpaal voor multiferroïsche geheugenapparaten heeft een team van onderzoekers onder leiding van professor Masaki Azuma en assistent-professor Kei Shigematsu van het Tokyo Institute of Technology in Japan met succes nanodots ontwikkeld met afzonderlijke ferro-elektrische en ferromagnetische domeinen.

“Bij Sumitomo Chemical Next-Generation Eco-Friendly Devices Collaborative Research Cluster binnen het Institute for Innovative Research van het Tokyo Institute of Technology ligt de focus op multiferroïsche materialen die kruiscorrelatiereacties vertonen tussen magnetische en elektrische eigenschappen, gebaseerd op de principes van sterk gecorreleerde elektronensystemen.

“Het centrum heeft tot doel materialen en processen te ontwikkelen voor de volgende generatie niet-vluchtige magnetische geheugenapparaten met laag vermogen, en om betrouwbaarheidsbeoordelingen en sociale implementatie uit te voeren”, zegt Azuma.

In hun studie gepubliceerd in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces op 9 april 2024 gebruikten onderzoekers gepulseerde laserafzetting om multiferroïsche BFCO af te zetten op een geleidend Nb:SrTiO₃ (001) substraat. Ze controleerden het depositieproces door gebruik te maken van geanodiseerde aluminiumoxide (AAO) maskers met verstelbare poriegroottes, resulterend in nanodots met diameters van 60 nm en 190 nm.

BFCO is een veelbelovende optie voor niet-vluchtige magnetische geheugenapparaten met laag vermogen, omdat de magnetisatierichting kan worden omgekeerd met een elektrisch veld. Bij het observeren van de polarisatie- en magnetisatierichtingen met behulp van respectievelijk piëzoresponskrachtmicroscopie en magnetische krachtmicroscopie, ontdekten de onderzoekers dat de nanodots gecorreleerde ferro-elektrische en ferromagnetische domeinstructuren vertonen.

Interessant genoeg merkten ze bij het vergelijken van nanodots van verschillende groottes significante verschillen op. De kleinere nanodot van 60 nm, gemaakt met behulp van een AAO-masker van oxaalzuur, vertoonde afzonderlijke ferro-elektrische en ferromagnetische domeinen, waarbij de polarisatie- en magnetisatierichtingen overal uniform zijn.

De grotere nanodot van 190 nm, gevormd met behulp van een malonzuur AAO-masker, had echter ferro-elektrische en magnetische vortex-structuren met meerdere domeinen, wat wijst op een sterke magneto-elektrische koppeling.

“Een dergelijke structuur met één domein van ferro-elektriciteit en ferromagnetisme zou een ideaal platform zijn voor het onderzoeken van BFCO als een magnetisch uitleesgeheugenapparaat dat een elektrisch veld schrijft, en structuren met meerdere domeinen bieden een speeltuin voor fundamenteel onderzoek”, zegt Shigematsu.

Niet-vluchtige magnetische geheugenapparaten zijn van cruciaal belang voor verschillende elektronische toepassingen, omdat ze opgeslagen informatie behouden, zelfs als de stroom is uitgeschakeld. Met hun unieke samenstelling van afzonderlijke ferromagnetische en ferro-elektrische domeinen vertonen BFCO 60-nm nanodots een groot potentieel voor het creëren van magnetische geheugenapparaten die minimaal elektrisch vermogen vereisen voor schrijf- en leesbewerkingen.