[論文レビュー] Recent progress and challenges in magnetic tunnel junctions with 2D materials for spintronic applications

Lishu Zhang, Jun Zhou+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2021

2D Materials and Applications参考文献 173被引用数 4

ひとこと要約

このレビューでは、2次元（2D）材料を組み込んだ磁気トンネル接合（MTJ）における最近の進展を統合し、次世代スピントロニクス素子への可能性を強調している。グラフェン、h-BN、MoS2、CrI3、Fe3GeTe2といった2D材料を電極またはトンネル障壁として検討し、従来のMTJの限界を克服するための高いスピン偏極度、原子層厚さ、および調整可能性に注目している。主な課題には、界面品質、材料安定性、スケーラビリティが含まれる。

ABSTRACT

As Moore's law is gradually losing its effectiveness, developing alternative high-speed and low-energy-consuming information technology with post-silicon advanced materials is urgently needed. The successful application of tunneling magnetoresistance (TMR) in magnetic tunnel junctions (MTJs) has given rise to a tremendous economic impact on magnetic informatics, including MRAM, radio-frequency sensors, microwave generators and neuromorphic computing networks. The emergence of two-dimensional (2D) materials brings opportunities for MTJs based on 2D materials which have many attractive characters and advantages. Especially, the recently discovered intrinsic 2D ferromagnetic materials with high spin-polarization hold the promise for next-generation nanoscale MTJs. With the development of advanced 2D materials, many efforts on MTJs with 2D materials have been made both theoretically and experimentally. Various 2D materials, such as semi-metallic graphene, insulating h-BN, semiconducting MoS2, magnetic semiconducting CrI3, magnetic metallic Fe3GeTe2 and some other recently emerged 2D materials are discussed as the electrodes and/or central scattering materials of MTJs in this review. We discuss the fundamental and main issues facing MTJs, and review the current progress made with 2D MTJs, briefly comment on work with some specific 2D materials, and highlight how they address the current challenges in MTJs, and finally offer an outlook and perspective of 2D MTJs.

研究の動機と目的

• 2次元材料が、ポストシリコンスピントロニクス用途向けに、超薄型・低消費電力の磁気トンネル接合（MTJ）を実現する可能性を評価すること。
• 2次元材料を機能的なMTJに統合する際の根本的課題、特に界面散乱、トンネル障壁の品質、材料安定性を特定・分析すること。
• グラフェン、h-BN、MoS2、CrI3、Fe3GeTe2といったさまざまな2次元材料がMTJにおける電極または障壁材料として果たす性能を評価すること。
• 2次元MTJで高いトンネル磁気抵抗（TMR）を達成するための最近の実験的および理論的進展を強調すること。
• 次世代スピントロニクス素子における、内在的2次元フェロ磁性体および高度な2次元ヘテロ構造の統合に向けた前向きな展望を提供すること。

提案手法

• 2次元材料を含むMTJに関する理論的および実験的研究を体系的にレビューし、材料選定とデバイス構造に焦点を当てる。
• 2次元材料の電子的および磁気的性質、特にスピン偏極度、バンド構造、ヘテロジャンクションにおける界面結合を分析する。
• 非平衡グリーン関数（NEGF）および密度汎関数理論（DFT）シミュレーションを用いて、2次元MTJにおけるトンネル輸送メカニズムを評価する。
• 界面品質と障壁透過率に注目し、異なる2次元材料の組み合わせにおけるTMR性能を比較する。
• 2次元MTJ統合に向けたプロセス技術、例えば機械的エキスフォリエーション、化学気相成長（CVD）、およびファンデルワールスヘテロエpitaxyの議論を行う。
• 材料特性およびシミュレーション結果に基づき、デバイスのスケーラビリティ、熱的安定性、エネルギー効率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CrI3 や Fe3GeTe2 といった内在的2次元フェロ磁性体の固有のスピン偏極特性が、MTJにおけるトンネル磁気抵抗をどのように向上させるか？
• RQ2 2次元MTJにおけるTMR性能を制限する主な散乱および界面効果は何か。それらはどのように緩和可能か？
• RQ3 グラフェン や h-BN といった2次元材料が、スピントロニクス用MTJにおける理想的なトンネル障壁または電極としてどの程度実現可能か？
• RQ4 材料品質および統合性の観点から、ナノスケールで再現性があり高性能な2次元MTJを実現するための主な課題は何か？
• RQ5 2次元ヘテロ構造の電子的および磁気的性質が、スピントロニクス応用における全体的なデバイス機能性およびスケーラビリティにどのように影響を与えるか？

主な発見

• CrI3 や Fe3GeTe2 といった内在的2次元フェロ磁性体は高いスピン偏極度を示し、超薄型MTJにおける高いTMRの実現が期待できる。
• グラフェン や六方晶窒化ホウ素（h-BN）は、原子層厚さで欠陊のない構造を有するため、優れたトンネル特性を示し、高いTMR比を支持する。
• 半導体的2次元材料であるMoS2 は、チューナブルなバンドギャップとスピン依存輸送を示し、スピンフィルターおよび論理応用の可能性を秘めている。
• 実験的および理論的研究では、特にCrI3を用いたヘテロ構造において、TMR値が100％を超える例が報告されている。
• 界面品質および界面散乱が、有望な材料特性にもかかわらずTMR効率を著しく低下させる主なボトルネックである。
• 2次元材料のMTJへの統合は、10 nm未満のデバイス実現への道筋を提供し、神経形状計算およびMRAM応用に不可欠な低消費電力・高速性能を実現する。