[论文解读] Strain-programmable van der Waals magnetic tunnel junctions

John Cenker, Dmitry Ovchinnikov+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2023

2D Materials and Applications被引用 7

一句话总结

该论文展示了利用CrSBr作为可调谐反铁磁隧道势垒的应变可编程范德华磁性隧道结（MTJ）。通过施加应变诱导从反铁磁序到铁磁序的相变，该器件在无外加磁场条件下实现了巨量隧道磁阻（最高达~1000%，在~140 K时），并可通过应变脉冲实现可编程磁阻状态，以及具有应变可调sigmoidal响应的随机开关行为，适用于神经形态计算和随机数生成。

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.

研究动机与目标

• 开发一种超越磁场或大电流的可编程磁性隧道结新机制。
• 探索应变工程作为调控二维范德华材料中磁序的手段。
• 展示通过CrSBr基MTJ中的动态应变脉冲实现可调磁阻状态。
• 实现具有应变可调sigmoidal响应的随机开关行为，模拟神经动力学。
• 实现磁存储、随机数生成和神经形态计算等能效型自旋电子应用。

提出的方法

• 将层状反铁磁半导体CrSBr用作范德华异质结MTJ中的隧道势垒。
• 施加静态和动态应变，以调节CrSBr中反铁磁序与铁磁序之间的磁相变。
• 利用应变脉冲主动翻转单个层的磁化方向，从而控制磁化层的数量，实现对磁阻状态的控制。
• 精确调节静态应变至相变成临界点附近，以诱导亚稳态磁化状态之间的随机开关。
• 在不同应变条件下测量隧道磁阻（TMR）比率，以量化器件响应。
• 采用sigmoidal响应曲线表征应变可调的开关概率，类比于随机二值神经元。

实验结果

研究问题

• RQ1 应变工程是否能在二维极限下诱导CrSBr中从反铁磁序到铁磁序的可逆相变？
• RQ2 在无外加磁场条件下，应变可编程MTJ中实现的隧道磁阻（TMR）量级是多少？
• RQ3 能否利用动态应变脉冲主动控制磁化层的数量，从而实现不同磁阻状态的编程？
• RQ4 在相变成临界点附近进行应变调节能否实现具有sigmoidal响应曲线的随机开关行为？
• RQ5 应变可编程MTJ在多大程度上可模拟随机二值神经元行为以用于神经形态计算？

主要发现

• 在温度高达~140 K的条件下，CrSBr基MTJ中实现了高达~1000%的巨量隧道磁阻（TMR）比率，且无需外加磁场。
• 应变脉冲可实现层磁化的主动翻转，从而实现对磁化层数量及相应磁阻状态的可编程控制。
• 当静态应变调节至相变成临界点附近时，亚稳态磁化状态之间出现随机开关行为，且具有应变可调的sigmoidal响应曲线。
• sigmoidal响应曲线可通过应变调节，与随机二值神经元的概率开关行为高度相似。
• 该器件可在高达~140 K的温度下工作，证明了其在实际自旋电子应用中的可行性。
• 研究结果确立了基于CrSBr的范德华MTJ作为能效型、应变控制磁存储、随机数生成及神经形态计算平台的基础。