[논문 리뷰] Strain-programmable van der Waals magnetic tunnel junctions

John Cenker, Dmitry Ovchinnikov외 13명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 10.

2D Materials and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 조정 가능한 반강자성 터널 장벽으로서 CrSBr를 사용하여, 외부 자기장 없이도 기계적 스트레인을 통해 프로그래밍 가능한 반데르발스 자기터널접합(MTJ)을 구현한다. 스트레인을 가하여 반강자성에서 강자성으로의 상전이를 유도함으로써, 약 140 K에서 최대 약 1000%에 이르는 거대한 턨널링 자기저항(TMR)을 달성하며, 스트레인 펄스를 통해 자기저항 상태를 프로그래밍 가능하게 하고, 스트레인 조절이 가능한 시그모이드형 반응을 갖는 확률적 스위칭을 실현한다. 이는 뉴로모픽 컴퓨팅 및 난수 생성과 같은 응용 분야에 기여한다.

ABSTRACT

The magnetic tunnel junction (MTJ) is a backbone device for spintronics. Realizing next generation energy efficient MTJs will require operating mechanisms beyond the standard means of applying magnetic fields or large electrical currents. Here, we demonstrate a new concept for programmable MTJ operation via strain control of the magnetic states of CrSBr, a layered antiferromagnetic semiconductor used as the tunnel barrier. Switching the CrSBr from antiferromagnetic to ferromagnetic order generates a giant tunneling magnetoresistance ratio without external magnetic field at temperatures up to ~ 140 K. When the static strain is set near the phase transition, applying small strain pulses leads to active flipping of layer magnetization with controlled layer number and thus magnetoresistance states. Further, finely adjusting the static strain to a critical value turns on stochastic switching between metastable states, with a strain-tunable sigmoidal response curve akin to the stochastic binary neuron. Our results highlight the potential of strain-programmable van der Waals MTJs towards spintronic applications, such as magnetic memory, random number generation, and probabilistic and neuromorphic computing.

연구 동기 및 목표

• 자기장이나 큰 전류를 초월한 새로운 프로그래밍 가능한 자기터널접합의 메커니즘을 개발하기 위해.
• 2D 반데르발스 물질에서 자기적 질서를 제어하기 위한 스트레인 엔지니어링의 가능성을 탐색하기 위해.
• CrSBr 기반 MTJ에서 동적 스트레인 펄스를 통해 조절 가능한 자기저항 상태를 실험적으로 구현하기 위해.
• 스트레인 조절이 가능한 시그모이드형 반응을 갖는 확률적 스위칭 행동을 달성하여 신경망의 동역학을 모방하기 위해.
• 자기 메모리, 난수 생성, 뉴로모픽 컴퓨팅과 같은 에너지 효율적인 스핀트로닉스 응용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 층상 반강자성 반도체인 CrSBr를 반데르발스 헤테로구조 MTJ의 터널 장벽로 활용하기 위해.
• 정적 및 동적 스트레인을 적용하여 반강자성과 강자성 질서 사이의 자기상 전이를 조절하기 위해.
• 개별 층의 자화를 뒤집는 데 사용되는 스트레인 펄스를 활용하여, 자화된 층의 수를 제어함으로써 자기저항 상태를 제어하기 위해.
• 상전이점 근처의 임계 정적 스트레인을 정밀하게 조절하여, 준안정 자기 상태 간의 확률적 스위칭을 유도하기 위해.
• 장치 반응을 정량화하기 위해 다양한 스트레인 조건에서 터널링 자기저항(TMR) 비율을 측정하기 위해.
• 확률적 스위칭의 가능성에 대한 스트레인 조절이 가능한 시그모이드형 반응 곡선을 사용하여, 확률적 이진 뉴런과 유사한 특성을 특성화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D 한계에서 CrSBr에서 스트레인 엔지니어링이 반강자성에서 강자성 질서로의 가역적 상전이를 유도할 수 있는가?
• RQ2 외부 자기장 없이 스트레인 프로그래밍 가능한 MTJ에서 얻어진 터널링 자기저항(TMR)의 크기는 얼마인가?
• RQ3 동적 스트레인 펄스를 사용하여 자화된 층의 수를 능동적으로 제어하고, 이를 통해 고유한 자기저항 상태를 프로그래밍할 수 있는가?
• RQ4 상전이점 근처에서 스트레인 조절이 가능한 확률적 스위칭과 시그모이드형 반응 곡선을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ5 스트레인 프로그래밍 가능한 MTJ가 뉴로모픽 컴퓨팅을 위한 확률적 이진 뉴런 행동을 어느 정도 모방할 수 있는가?

주요 결과

• 외부 자기장 없이도 약 140 K 이하의 온도에서 CrSBr 기반 MTJ에서 최대 약 1000%에 이르는 거대한 터널링 자기저항(TMR) 비율을 달성하였다.
• 스트레인 펄스를 통해 층의 자화를 능동적으로 뒤집을 수 있어, 자화된 층의 수와 그에 따른 자기저항 상태를 프로그래밍 가능한 방식으로 제어할 수 있었다.
• 정적 스트레인을 상전이점 근처로 조절할 경우, 준안정 자기 상태 간의 확률적 스위칭이 발생하며, 스트레인 조절이 가능한 시그모이드형 반응 곡선을 나타내었다.
• 시그모이드형 반응 곡선은 스트레인 조절이 가능하며, 확률적 스위칭 행동을 보이는 스토哈스틱 이진 뉴런과 유사하게 나타났다.
• 장치는 약 140 K 이하의 온도에서 작동하여 실용적인 스핀트로닉스 응용의 가능성을 입증하였다.
• 결과적으로 CrSBr 기반 반데르발스 MTJ는 에너지 효율적인 스트레인 제어 자기 메모리, 난수 생성, 뉴로모픽 컴퓨팅을 위한 플랫폼으로서 확립되었다.