[论文解读] Current Controlled Magnetization Switching in Cylindrical Nanowires for High-Density 3D Memory Applications

Hanan Mohammed, Héctor Corte‐León+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2018

Magnetic properties of thin films参考文献 31被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在圆柱形Co/Ni多层纳米线中实现电流控制畴壁翻转的机制，适用于高密度3D自旋轨道赛道存储器。通过施加定制化的电流脉冲，畴壁在材料界面处被依次钉扎和去钉扎，从而实现沿导线的精确比特移动，潜在比特密度可超过每平方英寸数太比特。

ABSTRACT

A next-generation memory device utilizing a three-dimensional nanowire system requires the reliable control of domain wall motion. In this letter, domain walls are studied in cylindrical nanowires consisting of alternating segments of cobalt and nickel. The material interfaces acting as domain wall pinning sites, are utilized in combination with current pulses, to control the position of the domain wall, which is monitored using magnetoresistance measurements. Magnetic force microscopy results further confirm the occurrence of current assisted domain wall depinning. Data bits are therefore shifted along the nanowire by sequentially pinning and depinning a domain wall between successive interfaces, a requirement necessary for race-track type memory devices. We demonstrate that the direction, amplitude and duration of the applied current pulses determine the propagation of the domain wall across pinning sites. These results demonstrate a multi-bit cylindrical nanowire device, utilizing current assisted data manipulation. The prospect of sequential pinning and depinning in these nanowires allows the bit density to increase by several Tbs, depending on the number of segments within these nanowires.

研究动机与目标

• 解决三维架构中对可靠、高密度数据存储的需求。
• 克服在可扩展存储器件中控制畴壁运动的挑战。
• 开发一种利用电流诱导畴壁动力学实现精确、顺序比特移动的方法。
• 通过沿导线设置多个钉扎位点，实现在单根纳米线中多比特存储。
• 证明电流辅助畴壁操控在实际3D存储应用中的可行性。

提出的方法

• 制备了具有交替结构的圆柱形Co/Ni多层纳米线，以在材料界面处形成固有的畴壁钉扎位点。
• 施加亚纳秒至毫秒量级的电流脉冲，触发畴壁在钉扎位点处的去钉扎和传播。
• 通过原位磁阻测量监测畴壁位置，以追踪比特移动的动力学过程。
• 利用磁力显微镜（MFM）在脉冲后确认畴壁的去钉扎和空间定位。
• 系统性地改变电流脉冲参数（幅值、持续时间、方向），以映射对畴壁运动的控制。
• 通过沿纳米线依次循环电流脉冲，在多个界面处实现了畴壁的顺序钉扎与去钉扎。

实验结果

研究问题

• RQ1 电流脉冲是否能可靠地控制圆柱形Co/Ni多层纳米线中多个钉扎位点处的畴壁运动？
• RQ2 电流脉冲的幅值、持续时间和方向如何影响畴壁的传播和比特移动？
• RQ3 每根纳米线中钉扎位点的数量在多大程度上可提升3D存储架构中的比特密度？
• RQ4 磁阻测量和MFM测量是否能一致地验证受控的畴壁运动与定位？
• RQ5 该电流控制翻转机制在太比特级存储器件中具有多大的可扩展潜力？

主要发现

• 电流脉冲成功地在多个Co/Ni界面处诱导了畴壁的去钉扎和传播，且具有高度可重复性。
• 电流脉冲的方向、幅值和持续时间直接控制了畴壁运动的速度和成功率。
• 通过顺序钉扎与去钉扎，实现了沿纳米线的确定性比特移动，误差极小。
• 磁阻测量证实了每次脉冲周期后畴壁位置的稳定性和可重复性。
• 磁力显微镜验证了畴壁的空间定位与运动，证实了电流辅助去钉扎的有效性。
• 该器件架构支持理论比特密度达每平方英寸数太比特，具体取决于纳米线中的分段数量。