Nichtflüchtige Speicher – die in der Lage sind, Informationen auch dann zu speichern, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird – werden hauptsächlich in Computern, Tablets, USB-Sticks und vielen anderen elektronischen Geräten eingesetzt. Unter den verschiedenen bestehenden Technologien werden magnetoresistive Speicher mit wahlfreiem Zugriff (MRAM), die derzeit nur in spezifischen Anwendungen verwendet werden, voraussichtlich in den kommenden zehn Jahren auf dem Markt beträchtlich expandieren.
Die neuesten MRAMs, die auf Spintronik-Mechanismen basieren – dh Phänomene im Zusammenhang mit dem Spin, der eine intrinsische Eigenschaft von Elektronen und anderen Teilchen ist – können schnellere Operationen, geringeren Stromverbrauch und lange Retentionszeiten bieten, mit potenziellen Anwendungen in tragbaren Geräten, der Automobilindustrie, und das Internet der Dinge, unter anderem.
In diesem Zusammenhang könnten Graphen und andere 2D-Materialien, die nur eine oder sehr wenige Atomlagen dünn sind, eine störende Rolle spielen. Tatsächlich können ihre besonderen und bemerkenswerten Eigenschaften Lösungen für aktuelle technologische Herausforderungen und Leistungsbeschränkungen bieten, die einen weiteren effizienten Einsatz von MRAMs verhindern; Daher können sie einen starken Einfluss auf das Design von spintronischen Geräten der nächsten Generation haben.
Die erwarteten Verbesserungen und neuen Möglichkeiten, die sich aus der Einführung von 2D-Materialien in spinbasierte Speichertechnologien ergeben können, werden in einem perspektivischen Artikel vorgestellt, der letzte Woche in veröffentlicht wurde Natur. Diese Arbeit, die vom Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) auf dem Campus der Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) und der National University of Singapore geleitet wird, bietet einen Überblick über den Stand der Technik auf diesem Gebiet und die aktuellen Herausforderungen bei der Entwicklung von nichtflüchtigen Speichern im Allgemeinen und insbesondere von solchen, die Spintronik-Mechanismen wie Spin-Transfer-Torque (STT) und Spin-Orbit-Torque (SOT) verwenden, konfrontiert. Die Autoren diskutieren die Vorteile, die die Co-Integration von 2D-Materialien in diese Technologien mit sich bringt, und geben einen Überblick über die bereits erzielten Verbesserungen sowie einen Ausblick auf die vielen Fortschritte, die weitere Forschung hervorbringen kann. Ein möglicher Zeitplan für Fortschritte während des nächsten Jahrzehnts wird ebenfalls nachgezeichnet.
„Wie ausführlich in dem Artikel diskutiert“, kommentiert ICREA-Professor Stephan Roche, Gruppenleiter am ICN2 und Leiter des Graphene Flagship Work Package, das der Spintronik gewidmet ist, „sind die grundlegenden Eigenschaften von 2D-Materialien wie atomar glatte Grenzflächen, reduzierte Materialvermischung, Kristall Symmetrien und Proximity-Effekte sind die Treiber für mögliche disruptive Verbesserungen für spinbasierte MRAMs. Diese entwickeln sich zu Schlüsseltechnologien für Low-Power-Technologien und werden sich voraussichtlich über große Märkte ausbreiten, von eingebetteten Speichern bis zum Internet der Dinge.“
Diese Forschung wurde von den ICN2-Gruppenleitern und ICREA-Professoren Prof. Stephan Roche und Prof. Sergio O. Valenzuela sowie von Prof. Hyunsoo Yang von der National University of Singapore koordiniert. Es wurde von einer Zusammenarbeit verschiedener Mitglieder des Graphene Flagship-Projektkonsortiums durchgeführt, darunter verschiedene Institute des Centre national de la recherche scientifique (CNRS, Frankreich), Imec (Belgien), Thales Research and Technology (Frankreich) und die Franzosen Atomic Energy Commission (CEA) sowie Schlüsselindustrien wie Samsung Electronics (Südkorea) und Global Foundries (Singapur), die die Vision einer zukünftigen Marktintegration einbringen.
„Es ist beeindruckend, die wissenschaftlichen Ergebnisse des Arbeitspakets Spintronik und die im Imec-Umfeld gemeinsam mit KMUs (Singulus Technologies, GRAPHENEA) durchgeführten Technologieaktivitäten zu beobachten, die den Weg für zukünftige Auswirkungen auf Marktanwendungen ebnen“, sagt Prof Jari Kinaret, Direktor des Graphene-Flaggschiffs. „Es sind noch Herausforderungen zu bewältigen, um das Potenzial von 2D-Materialien in realen Anwendungen voll auszuschöpfen, aber die erwarteten industriellen und wirtschaftlichen Vorteile sind sehr hoch.“
„Die von der Europäischen Kommission unternommenen Finanzierungsbemühungen zur Unterstützung der Graphene Flagship-Aktivitäten könnten Europa in einem Zeitraum von zehn Jahren an die Spitze innovativer Spintronik-Technologien bringen“, fügt Prof. Andrea Ferrari, Science and Technology Officer des Graphene Flagship, hinzu.
Hyunsoo Yang et al, Zweidimensionale Materialaussichten für nichtflüchtige spintronische Speicher, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04768-0