[논문 리뷰] Recent progress and challenges in magnetic tunnel junctions with 2D materials for spintronic applications

Lishu Zhang, Jun Zhou외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 07.

2D Materials and Applications참고 문헌 173인용 수 4

한 줄 요약

이 리뷰는 두께가 매우 얇고, 스핀트로닉스 기기의 미래를 위한 잠재력을 지닌 2차원(2D) 재료를 포함하는 자기터널접합(MTJs)의 최근 발전을 종합적으로 다룬다. 그래핀, h-BN, MoS2, CrI3, Fe3GeTe2와 같은 2D 재료를 전극 또는 터널링 장벽으로 사용하는 것에 대해 검토하며, 기존 MTJs의 한계를 극복하기 위해 높은 스핀 분극도, 원자 두께, 조절 가능성을 강조한다. 주요 과제로는 인터페이스 품질, 재료 안정성, 확장성 문제가 제기된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 2D 재료가 후실리콘 스핀트로닉스 응용을 위한 초박막·저전력 자기터널접합(MTJs)을 가능하게 할 잠재력을 평가하기 위해.
• 2D 재료를 기능적 MTJs에 통합하는 데 있어 근본적인 과제인 인터페이스 산란, 터널링 장벽 품질, 재료 안정성 등을 특정 및 분석하기 위해.
• 그래핀, h-BN, MoS2, CrI3, Fe3GeTe2와 같은 다양한 2D 재료가 MTJs의 전극 또는 장벽 재료로서의 성능을 평가하기 위해.
• 2D MTJs에서 고 터널링 자기저항(TMR)을 달성하기 위한 최근 실험적 및 이론적 진전을 부각하기 위해.
• 다음 세대 스핀트로닉스 장치에서 내재된 2D 투자성체 및 고급 2D 이종구조의 통합에 대한 전망을 제공하기 위해.

제안 방법

• 2D 재료를 포함하는 MTJs에 관한 이론적 및 실험적 연구를 체계적으로 검토하며, 재료 선별 및 장치 구조에 중점을 둔다.
• 2D 재료의 전자적 및 자기적 성질 분석을 통해 스핀 분극도, 밴드 구조, 이종접합에서의 상호작용을 고려한다.
• 비평형 그린 함수(NEGF) 및 밀도기반함수이론(DFT) 시뮬레이션을 이용해 2D MTJs의 터널링 전송 메커니즘을 평가한다.
• 터널링 장벽 투과도 및 인터페이스 품질에 초점을 맞춰 다양한 2D 재료 조합에서의 TMR 성능을 비교한다.
• 기계적 분리, 화학기상증착(CVD), 반데르발스 헤테로외피택스 기법 등을 포함한 제조 기술에 대해 논의한다.
• 재료 특성 및 시뮬레이션 결과를 바탕으로 장치의 확장성, 열적 안정성, 에너지 효율성에 대해 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CrI3 및 Fe3GeTe2와 같은 내재된 2D 투자성 재료의 고유한 스핀 분극 성질이 MTJs에서 터널링 자기저항(TMR)을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 2D MTJs의 TMR 성능을 저해하는 주요 산란 및 인터페이스 효과는 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 그래핀과 h-BN와 같은 2D 재료가 스핀트로닉스 MTJs에서 이상적인 터널링 장벽 또는 전극 재료로 얼마나 적합한가?
• RQ4 재료 품질 및 통합 측면에서 나노스케일에서 재현 가능하고 고성능의 2D MTJs를 구현하는 데 있어 핵심 과제는 무엇인가?
• RQ5 2D 이종구조의 전자적 및 자기적 성질이 스핀트로닉스 응용에서 전체 장치의 기능성 및 확장성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• CrI3 및 Fe3GeTe2와 같은 내재된 2D 투자성 재료는 높은 스핀 분극도를 보이며, 초박막 MTJs에서 고 TMR를 달성할 잠재력을 지닌다.
• 그래핀과 헥사곤형 밀리드니트리드(h-BN)는 원자 두께의 결함 없는 구조 덕분에 뛰어난 터널링 성질을 보이며, 높은 TMR 비율을 지원한다.
• 반도체성 2D 재료인 MoS2는 조절 가능한 금역간격과 스핀에 의존하는 전도성을 보이며, 스핀 필터링 및 논리 응용 가능성을 지닌다.
• 실험 및 이론적 연구에서 일부 2D MTJs에서 TMR 값이 100%를 초과하는 결과가 보고되었으며, 특히 CrI3 기반 이종구조에서 두드러진다.
• 인터페이스 품질과 인터페이스 산란은 여전히 주요 장애물로 작용하며, 높은 재료 성질에도 불구하고 TMR 효율을 크게 저하시킨다.
• 2D 재료의 MTJs 통합은 저전력 소비와 고속 동작이 필수적인 뉴로모픽 및 MRAM 응용을 위한 10nm 이하의 장치로의 길을 열어준다.