2025 Annuncio del vincitore della borsa di studio del college per i materiali avanzati di Stanford

Siamo lieti di annunciare che il vincitore della borsa di studio dello Stanford Advanced Materials College 2025 è:

Brahmdutta Dixit
Università del Minnesota Twin Cities
Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica, dottorando al terzo anno di corso

La ricerca di Dixit propone un nuovo design basato su tungsteno, tantalio e niobio, che offre un metodo per migliorare l'efficienza dei dispositivi semiconduttori con coppia di spin-orbita (SOT) e ridurre la densità di corrente critica. Il suo lavoro fornisce indicazioni preziose per lo sviluppo di futuri dispositivi elettronici ad alte prestazioni e basso consumo.

La borsa di studio dello Stanford Advanced Materials College premia i giovani studiosi che hanno dimostrato un'eccezionale capacità innovativa e intellettuale nella ricerca e nell'applicazione dei materiali. Ci congratuliamo vivamente con Brahmdutta Dixit per questo risultato e contemporaneamente estendiamo la nostra sincera gratitudine a tutti i candidati. Grazie alla partecipazione entusiasta di così tanti illustri studiosi, il processo di selezione si è trasformato in uno scambio accademico di alto livello, che offre uno sguardo sull'entusiasmante futuro della scienza dei materiali.

Per maggiori dettagli sul nostro programma di borse di studio e sulle opportunità future, cliccate qui.

Progetto vincitore:

Progetto originale del vincitore: Brahmdutta_Dixit_Stanford_Advanced_Materials_Scholarship_2025_Submission.pdf

Spintronica dei metalli rari: Da Ni₄W a TaIrTe₄/NbIrTe₄ Piattaforme a bassa simmetria per MRAM deterministiche

Abstract:

La spintronica è un campo affascinante, ricco di fisica, che va oltre il controllo della carica per memorizzare dati. Sfrutta lo spin dell'elettrone per sviluppare memorie non volatili (NVM) ad alta resistenza, bassa energia e bassa latenza. Tra le varie generazioni di MRAM e i meccanismi di commutazione [1], come mostrato nella figura 1, esistono due classi principali di memorie magnetiche ad accesso casuale (MRAM) adottate dall'industria: spin-transfer torque (STT) e spin-orbit torque (SOT). La STT-MRAM ha storicamente sofferto di una durata limitata e di tassi di errore di bit più elevati, perché utilizza lo stesso percorso per la lettura e la scrittura. Al contrario, la SOT-MRAM attenua questi problemi separando i percorsi di lettura e scrittura. Nelle SOT-MRAM c'è un canale di metallo pesante per generare l'accoppiamento orbitale di spin (SOC); i dispositivi SOT abilitati ai metalli rari promettono una commutazione magnetica a bassissima energia e senza campi per l'NVM di prossima generazione e l'hardware probabilistico/AI.

Il mio lavoro attuale si concentra su diversi metalli pesanti a bassa simmetria comeNi4W, PtW (lega) e calcogenuri semimetallici rari a bassa simmetria come TaIrTe₄ e NbIrTe₄. Il loro elevato SOC, le grandi funzioni di lavoro e la ricca chimica interfacciale aiutano a ottenere una commutazione deterministica delle SOT MRAM.

Figura 1: (a) Panorama generazionale delle MRAM: architetture a commutazione, STT, termicamente assistite, SOT e otticamente assistite. (b) Regimi dinamici corrispondenti: fs-ps (smagnetizzazione ultraveloce, rilassamento degli spin, precessionecoerente ), ps-ns (coppie di spin), ns-µs (dinamica delle pareti di dominio e STT) e oltre (effetti termici e ritenzione magnetica) [1].

Sulla base di ciò, utilizzando lo sputtering magnetronico compatibile con l'industria, abbiamo prodotto film sottili epitassiali di Ni₄W di alta qualità e abbiamo riportato un'elevata efficienza SOT di 0,73. Questo lavoro è stato recentemente pubblicato da Advanced Materials. Ora stiamo puntando alla regolazione del livello di Fermi nel Ni₄W attraverso il controllo della stechiometria del tungsteno e il drogaggio del cobalto nel Ni4W per allineare gli stati elettronici con i picchi della conduttività di spin Hall (SHC), migliorando così l'efficienza SOT e riducendo la densità di corrente critica. Parallelamente, ho fabbricato dispositivi Hall-bar basati su fiocchi 2D esfoliati di TaIrTe₄ e NbIrTe₄ per sfruttare la loro intrinseca bassa simmetria per una polarizzazione di spin non convenzionale e una commutazione controllabile dal gate.

Articolo

I metalli rari come il tungsteno (W), il tantalio (Ta) e il niobio (Nb) sono i più promettenti SOT-MRAM a base spintronica. Quando vengono posizionati accanto a un ferromagnete ultrasottile come la permalloia (Py) e il CoFeB, questi elementi pesanti convertono la corrente di carica in correnti di spin trasversali attraverso un forte SOC. Gli spin polarizzati iniettati possono cambiare lo stato del magnete; questa è la caratteristica fondamentale della memoria SOT. Rispetto alle tradizionali NVM basate su CMOS, come la NAND flash, i dispositivi SOT offrono non volatilità, scritture di classe nanosecondo ed energia per bit bassissima, rendendoli interessanti per MRAM simili a cache, acceleratori di intelligenza artificiale e calcolo probabilistico in-memory.

Due problemi principali hanno limitato l'ampia diffusione delle SOT-MRAM: (1) la densità di corrente critica (Jc) necessaria per la commutazione rapida e (2) il campo magnetico esterno richiesto per rompere la simmetria nei dispositivi ad anisotropia magnetica perpendicolare (PMA). In questo articolo cercherò di spiegare come il Ni₄W e i semimetalli di Weyl a bassa simmetria (TaIrTe₄ e NbIrTe₄), affrontino direttamente le questioni sopra citate e delineino una roadmap sperimentale di diversi progetti a cui sto attualmente lavorando. Alla fine, vi parlerò di come la mia ricerca si estende su tutto lo spettro della scienza dei materiali fino alla fabbricazione di dispositivi e alla loro applicazione nell'industria.

1) Sorgente SOT basata su Ni₄W con rottura della simmetria incorporata:

Nel nostro recente studio, illustrato nella figura 2 (pubblicata sulla prima pagina dell'Advanced Materials Journal) [2,3], abbiamo scoperto che il Ni₄W è un intermetallo ricco di tungsteno. Le sue orientazioni cristalline a bassa simmetria supportano l'accumulo multidirezionale di spin, che consente la commutazione senza campo delle giunzioni a tunnel magnetico perpendicolari (p-MTJ) se interfacciate correttamente. In pratica, ciò significa che possiamo eliminare i magneti permanenti o le bobine di campo esterne, il che è fondamentale per l'area, l'affidabilità e la potenza.

Al di là della simmetria, il Ni₄W è in grado di fornire un'elevata efficienza SOT, pari a 0,73. La cifra di merito, l'angolo di spin Hall effettivo o l'efficienza della coppia smorzante, dipende in modo sensibile dagli stati elettronici intorno al livello di Fermi (EF). I picchi nella curvatura di spin Berry e i "punti caldi" nella struttura a bande possono amplificare la conversione da carica a spin.

Figura 2: Vista schematica di Ni₄W(211)/CoFeB, che evidenzia gli spin orientati in diverse direzioni. (b) Rappresentazione strutturale del cristallo tetragonale Ni₄W. (c) Scansione XRD θ-2θ per Al2O3(0001)/W (2 nm)/Ni4W (30 nm)/CoFeB (5 nm)/cap. Inserto: curva di oscillazione della riflessione Ni4W(211) (FWHM = 0,084°). (d) Confronto degli angoli di spin Hall convenzionali (in piano) e fuori piano del Ni₄W con i principali materiali SOT. (e) Mappa dello spazio reciproco dello stesso stack, tracciata in coordinate di zaffiro [2].

2) Sintonizzazione del livello di Fermi con la stechiometria del W e il co-doping del Co:

Attualmente, sto regolando sistematicamente l'EF nel Ni₄W mediante drogaggio di buchi, regolando il contenuto di tungsteno e introducendo un leggero co-doping di cobalto (Co).

Figura 3: Angoli di Spin Hall per Ni₄W(211). I colori verde, giallo e blu tracciano θY, θZ e θX; le curve solide e tratteggiate indicano due direzioni di corrente ortogonali. La linea rossa tratteggiata indica il massimo SHA che può essere raggiunto per quello specifico livello di fermi [2].

Come mostrato in figura 3, l'obiettivo è allineareEF con il massimo in SHC (linea tratteggiata rossa), il che dovrebbe (a) aumentare l'efficienza della coppia smorzante (aumentando la corrente di spin fornita al ferromagnete). (b) abbassare la Jcper la commutazione al nanosecondo. (c) preservare la bassa resistività e la stabilità termica necessarie per una stretta integrazione del back-end-of-line (BEOL). Attualmente Globalfoundries dispone di STT-MRAM su piattaforma CMOS FDX a 22 nm e HKMG a 28 nm, tra la linea metallica M4-M5 di BEOL.

3) Il mio approccio per lo studio della lega Ni4W e del SOT drogato con Co:

Deposito Ni₄W (211) su substrati di zaffiro mediante sputtering magnetronico DC e miro alle orientazioni riportate per massimizzare le componenti di spin non convenzionali. La mappatura XRD/curva di oscillazione e lo spazio reciproco assicurano la struttura desiderata, mentre AFM e TEM valutano la qualità dell'interfaccia. Inoltre, eseguo un UPS/XPS per monitorare la funzione di lavoro e la composizione di Ni, W e Co nei film sottili sputati. Poi, spruzzo uno strato ferromagnetico come Py e CFB, per la misurazione SOT eseguo la seconda armonica di Hall e la FMR a coppia di spin, estraendo le componenti di smorzamento e di campo. Inoltre, utilizzando barre di Hall e p-MTJ, quantifico la probabilità di commutazione rispetto all'ampiezza dell'impulso, la scala del ritardo di energia e la ritenzione.

4) Studio SOT dei semimetalli di Weyl a bassa simmetria TaIrTe₄ e NbIrTe₄:

Come mostrato in figura 4, le leghe a base di metalli rari Ta e Nb come TaIrTe₄ e NbIrTe₄, semimetalli stratificati, hanno una simmetria cristallina intrinsecamente bassa. Questa bassa simmetria consente polarizzazioni di spin non convenzionali (tra cui OOP z-spin) sotto corrente in piano. Ciò contribuisce alla commutazione senza campo senza ulteriori strati di rottura simmetrica.

Figura 4: (a) Struttura cristallina dei semimetalli di Weyl TaIrTe4 e NbIrTe4. (b) Dati XRD di TaIrTe4 ottenuti da una macchina a raggi X basata sul Co. (c), (d) Immagine microscopica del dispositivo a barre di hall modellato con stack TaIrTe4/Py/Ru, rispettivamente prima e dopo l'incisione.

Ho esfoliato meccanicamente i fiocchi di TaIrTe₄ e NbIrTe₄ da singoli cristalli susubstrati isolanti pre-stampati diSi/SiO2 , ho effettuato lo sputtering dello strato ferromagnetico di Py o CoFeB e ho modellato le barre di Hall tramite litografia e-beam; il flusso completo del processo è stato riportato nella figura 5. Con questi dispositivi a barra di Hall, ho eseguito la seconda armonica di Hall, misurato il segnale di spin-magnetoresistenza unidirezionale (USMR) ed esplorato il gating elettrostatico (dielettrici HfO₂/Al₂O₃) per modulare l'anisotropia magnetica e l'effetto del campo elettrico.

Figura 5: Flusso del processo di fabbricazione della barra di Hall di dispositivi a pila TaIrTe/Py/Ru per misure di seconda armonica e USMR.

5) Integrazione degli effetti di controllo della tensione come l'anisotropia magnetica a controllo di tensione:

Nel nostro recente studio [4], come illustrato nella figura 6, abbiamo dimostrato che la regolazione della funzione di lavoro sotto lo strato CoFeB/MgO può amplificare notevolmente la VCMA. Negli stackW/PtxW1-x/CoFeB/MgO, l'aumento del contenuto di Pt aumenta la funzione di lavoro del metallo e depaupera elettronicamente l'interfaccia CoFeB/MgO all'equilibrio, aumentando la risposta del campo elettrico all'anisotropia interfacciale. UPS e XPS confermano lo spostamento della funzione di lavoro e il trasferimento di carica interfacciale. Regolando il contenuto di Pt, abbiamo ottenuto un coefficiente VCMA fino a ~ 8× maggiore rispetto a un controllo W puro, con le migliori prestazioni aPt77W23.

6) Applicazioni e impatto:

I miei progetti sui nuovi materiali a bassa simmetria comeNi4W, TaIrTe4e NbIrTe4aiuteranno l'industria ad adattare le SOT-MRAM alle cache e alle memorie incorporate. Gli stack senza campo basati su questi metalli rari eliminano i campi esterni e semplificano i circuiti periferici. Con un drogaggio ottimizzato e una simmetria del cristallo, l'energia per bit può raggiungere il regime dei femtojoule, contribuendo direttamente a ridurre il consumo energetico dei data center.

Figura 6: (a) Schema trasversale del dispositivo gated Hall-bar. (b) Allineamento dei livelli energetici per il CoFeB nel limite di banda piatto quando accoppiato con W, Pt₇₇W₂₃ o Pt e schema della deplezione di elettroni da CoFeB/MgO in un sottostrato di PtₓW₁₋ₓ ad alta funzione di lavoro all'equilibrio termico. (c) Grafici di distribuzione (box plots) di Ki e VCMA per diverse leghe PtxW1-x utilizzate come sottostrato [4].

Questi nuovi dispositivi SOT-MRAM possono essere utilizzati anche nel calcolo probabilistico e in-memory. Controllando la probabilità di commutazione tramite l'ampiezza dell'impulso e la tensione del gate, questi dispositivi MRAM agiscono come p-bit o campionatori ponderati, utili per l'ottimizzazione e gli acceleratori generativi di intelligenza artificiale.

Le NVM basate su CMOS hanno problemi con le radiazioni nelle attività di esplorazione spaziale. La SOT-MRAM ha fornito un percorso verso un'elettronica sicura e resistente alle radiazioni. I bit magnetici resistono agli errori morbidi; le pile basate su metalli rari sono robuste alla temperatura e alle radiazioni, importanti per il settore aerospaziale.

Grazie a questi studi di ricerca, possiamo prevedere i seguenti risultati: (i) una mappa dopante/stoichiometria per massimizzare il SOT nel Ni₄W, (ii) la commutazione senza campo in semimetalli esfoliati a bassa simmetria e (iii) percorsi di integrazione per MRAM SOT affidabili e producibili e per il calcolo stocastico. Più in generale, il progetto evidenzia come i metalli rari (W, Ta, Nb) possano essere ingegnerizzati a livello di struttura di banda per fornire un'elettronica sostenibile e di grande impatto, facendo progredire sia la spintronica di base che le tecnologie di memoria pratiche.

Biografia

Brahmdutta Dixit è unricercatore laureatoal terzo anno di dottorato presso il Nano Magnetism & Quantum Spintronics Lab dell'Università del Minnesota Twin-Cities, Minnesota, USA. Ha sei anni di esperienza combinata nel settore industriale e accademico in fisica dei dispositivi, scienza dei materiali e spintronica. Il suo lavoro attuale è incentrato sulla spintronica dei metalli rari: Ni₄W epitassiale come sorgente SOT multidirezionale; regolazione del livello di Fermi attraverso la stechiometria del W e il co-doping del Co per migliorare l'efficienza di coppia e ridurre la corrente di scrittura; dispositivi Hall-bar esfoliati TaIrTe₄/NbIrTe₄ per la commutazione senza campo. Integra la crescita di film sottili con XRD/UPS/XPS, ST-FMR, seconda armonica di Hall, AHE/USMR e co-progetta SOT con anisotropia magnetica a controllo di tensione (VCMA) e accoppiamento di scambio a controllo di tensione (VCEC) per operazioni MRAM a pochi fJ. In precedenza, ha lavorato come Device/Integration Engineer presso GlobalFoundries (miglioramenti della resa e del processo su 14 nm FinFET, 28 nm HKMG e 40 nm NVM) e come Advanced Technology Validation intern presso Advanced Micro. Devices (AMD) (metodologia e correlazione dei rendimenti su nodi di punta come 3 nm e 5 nm FinFET). In precedenza, presso l'Università di Würzburg, in Germania, ha lavorato su stack di isolanti topologici 3D HgTe/CdHgTe/Py cresciuti in MBE. Medaglia d'oro al B.Tech dell'Università di Mizoram, è stato coautore di articoli su Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Physics Reports e ACS Nano.

Riferimenti:

[1] Dikshit, Surya Narain, Arshid Nisar, Brahmdutta Dixit, et.al. "Optically assisted ultrafast spintronics: Una rassegna". Physics Reports 1140 (2025): 1-46. (IF: 29.5)

[2] Yang, Yifei, Seungjun Lee, Yu-Chia Chen, Qi Jia, Brahmdutta Dixit, et al. "Large Spin-Orbit Torque with Multi-Directional Spin Components in Ni4W". Materiali avanzati (2025): 2416763. (IF: 26.8)

[3] Yang, Yifei, Seungjun Lee, Yu-Chia Chen, Qi Jia, Brahmdutta Dixit et al. "Large Spin-Orbit Torque with Multi-Directional Spin Components in Ni4W (Adv. Mater. 32/2025)". Advanced Materials 37, no. 32 (2025): e70089. (Copertina)

[4] Chen, Yu-Chia, Thomas Peterson, Qi Jia, Yifei Yang, Shuang Liang, Brandon R. Zink, Yu Han Huang, Deyuan Lyu, Brahmdutta Dixit e Jian-Ping Wang. "Anisotropia magnetica grande e sintonizzabile, controllata dalla tensione, nel sistema CoFeB/MgO tramite sottostrati di Pt x W1-x ingegnerizzati in funzione del lavoro". ACS nano 19, n. 16 (2025): 15953-15962. (IF: 16.0)