原子級超薄磁性器件將為存儲技術帶來新的變革

關鍵詞：磁性器件二維磁性絕緣體 三碘化鉻 六方氮化硼 石墨烯 電子自旋

磁性材料是當今數字信息技術的支柱，在硬碟存儲等技術中得到廣泛應用。近期，華盛頓大學領導的科研團隊開發出利用層狀磁性材料進行信息編碼的原子級超薄磁性器件，可大幅提升數據存儲密度和能量效率。這一突破性進展有望為存儲技術帶來新的變革，將徹底改變雲計算和消費電子業的技術現狀。研究成果已於5月3日在《科學》雜誌在線發表。

新器件結構與特點

研究人員在2開爾文的低溫環境下，根據電子的自旋方向利用堆疊的超薄磁性材料對電子施加了前所未有的控制。在這個過程中，電子自旋被看作微小的亞原子磁體。研究人員在實驗中所使用的核心磁性材料是層狀三碘化鉻（CrI3）。該材料在2017年被認為是首個被發現的二維磁性絕緣體材料。

三碘化鉻晶體結構示意圖

整個超薄磁性器件可以看作是一個由六方氮化硼、石墨烯和三碘化鉻三種層狀二維材料堆疊而成的磁性隧道結（sf-MTJ），可依據電子自旋方向對電子進行過濾。其中最為核心的部分是由石墨烯傳導層和中間的兩層三碘化鉻構成的三明治結構。隨著施加電壓大小的變化，三明治結構中的磁場也會發生改變。當磁場強度為0時，兩層三碘化鉻中的電子自旋方向相反，電流將無法通過隧道結；當磁場強度增大到一定數值後，兩層三碘化鉻中的電子自旋方向一致，將不再對電流產生阻擋作用。這兩種不同的磁阻形式便可看作是構成信息編碼基本單位比特的「0」和「1」。

磁性器件結構示意圖

此外，當研究人員將中間三碘化鉻的層數增加到四層時，發現超薄磁性器件還有實現「多位」信息存儲的潛力，且能大幅提升系統對電流的控制能力，從而實現更加高效的大數據量存儲。

意義

研究人員認為他們的工作揭示了將磁性存儲技術推向原子級厚度極限的可能性。隨著信息的爆炸性增長，當前所面臨的最大挑戰是如何在增加數據存儲密度的同時有效的降低存儲功耗。超薄磁性器件不僅能大幅提升數據的存儲密度，而且器件的存儲功耗也比當前存儲器小一個數量級以上。雖然目前的超薄磁性器件需要在適度的磁場強度和理想的低溫環境下才能工作，在當前的技術條件下還難以實現，但這種器件的概念和運行原理是新穎的和具有開創性的。如果隨著磁場電學控制技術的發展，能夠實現超薄磁性隧道結在室溫下的高效磁場控制，該技術將為數據存儲技術帶來改變遊戲規則式的變革。

參考文獻：Giant tunneling magnetoresistance in spin-filter van der Waals heterostructures，Science，03 May 2018:eaar4851

（DOI: 10.1126/science.aar4851）

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