Un groupe de chercheurs de l’Université de Tohoku a dévoilé un nouveau matériau qui présente une énorme magnétorésistance, ouvrant la voie aux développements de la mémoire magnétorésistive non volatile (MRAM).
Les détails de leur découverte unique ont été publiés dans le Journal des alliages et des composés.
Aujourd’hui, la demande d’avancées dans le matériel capable de traiter efficacement de grandes quantités d’informations numériques et dans les capteurs n’a jamais été aussi grande, en particulier avec les gouvernements qui déploient des innovations technologiques pour créer des sociétés plus intelligentes.
Une grande partie de ce matériel et de ces capteurs reposent sur des MRAM et des capteurs magnétiques, et les dispositifs magnétorésistifs tunnel constituent la majorité de ces dispositifs.
Les dispositifs magnétorésistifs tunnel exploitent l’effet de magnétorésistance tunnel pour détecter et mesurer les champs magnétiques. Ceci est lié à l’aimantation des couches ferromagnétiques dans les jonctions tunnel magnétiques. Lorsque les aimants sont alignés, un état de faible résistance est observé et les électrons peuvent facilement traverser la mince barrière isolante entre eux.
Lorsque les aimants ne sont pas alignés, l’effet tunnel des électrons devient moins efficace et conduit à une résistance plus élevée. Ce changement de résistance est exprimé par le rapport magnétorésistif, un chiffre clé pour déterminer l’efficacité des dispositifs magnétorésistifs à effet tunnel. Plus le rapport de magnétorésistance est élevé, meilleur est l’appareil.
Les dispositifs magnétorésistifs tunnel actuels comprennent de l’oxyde de magnésium et des alliages magnétiques à base de fer, comme le fer-cobalt. Les alliages à base de fer ont une structure cristalline cubique centrée dans les conditions ambiantes et présentent un énorme effet de magnétorésistance tunnel dans les appareils avec un oxyde de magnésium de type sel gemme.
Il y a eu deux études notables utilisant ces alliages à base de fer qui ont produit des dispositifs magnétorésistifs affichant des rapports de magnétorésistance élevés. Le premier en 2004 a été organisé par l’Institut national des sciences et technologies industrielles avancées au Japon et IBM ; et le second est venu en 2008, lorsque des chercheurs de l’Université de Tohoku ont signalé un rapport de magnétorésistance dépassant 600 % à température ambiante, quelque chose qui a bondi à 1000 % avec des températures proches de zéro Kelvin.
Depuis ces percées, divers instituts et entreprises ont investi des efforts considérables dans le perfectionnement de la physique, des matériaux et des processus des dispositifs. Pourtant, mis à part les alliages à base de fer, seuls certains alliages magnétiques ordonnés de type Heusler ont affiché une magnétorésistance aussi énorme.
Le Dr Tomohiro Ichinose et le professeur Shigemi Mizukami de l’Université de Tohoku ont récemment commencé à explorer des matériaux thermodynamiquement métastables pour développer un nouveau matériau capable de démontrer des rapports de magnétorésistance similaires. Pour ce faire, ils se sont concentrés sur les fortes propriétés magnétiques des alliages cobalt-manganèse, qui ont une structure cristalline métastable cubique centrée.
« Les alliages cobalt-manganèse ont des structures cristallines cubiques ou hexagonales à faces centrées en tant que phases thermodynamiquement stables. Parce que cette phase stable présente un faible magnétisme, elle n’a jamais été étudiée en tant que matériau pratique pour les dispositifs magnétorésistifs à tunnel », a déclaré Mizukami.
En 2020, le groupe a rendu compte d’un appareil qui utilisait un alliage cobalt-manganèse avec une structure cristalline cubique métastable centrée sur le corps.
En utilisant la science des données et/ou des méthodes expérimentales à haut débit, ils se sont appuyés sur cette découverte et ont réussi à obtenir une énorme magnétorésistance dans les appareils en ajoutant une petite quantité de fer à l’alliage cobalt-manganèse cubique métastable centré sur le corps. Le rapport de magnétorésistance était de 350 % à température ambiante et dépassait également 1000 % à basse température. De plus, la fabrication de l’appareil a utilisé la méthode de pulvérisation et un processus de chauffage, ce qui est compatible avec les industries actuelles.
« Nous avons produit le troisième exemple d’un nouvel alliage magnétique pour les dispositifs magnétorésistifs à effet tunnel présentant une énorme magnétorésistance, et il définit une direction alternative pour les améliorations futures », ajoute Mizukami.
Plus d’information:
Tomohiro Ichinose et al, Grande magnétorésistance tunnel dans les jonctions tunnel magnétiques avec des électrodes magnétiques d’alliages CoMnFe cubiques centrés sur le corps métastables, Journal des alliages et des composés (2023). DOI : 10.1016/j.jallcom.2023.170750