Исследовательская группа Национального института материаловедения Японии (NIMS) успешно разработала магнитный туннельный переход (MTJ), изготовленный с использованием оксидов с высокой энтропией, который одновременно демонстрирует повышенную вертикальную магнитную анизотропию, более высокое отношение туннельного магнитного сопротивления (TMR) и более низкие характеристики сопротивления. Результаты исследования были опубликованы в журнале Materials Today.

Магнитный туннельный переход состоит из двух ферромагнитных слоев, покрытых чрезвычайно тонким изолирующим туннельным барьерным слоем, и его принцип работы основан на эффекте электронного квантового туннелирования. Хотя широко используемый туннельный барьер оксида магния (MgO) может достигать более высокого коэффициента TMR, сопротивление устройства высокое из-за большой высоты барьера. Команда NIMS инновационно использовала высокоэнтропийный оксид LiTiMgAlGaO, образованный однородным смешиванием пяти металлических элементов лития, титана, магния, алюминия и лантана на атомном уровне, в качестве материала туннельного барьера, что эффективно решило эту техническую проблему.

Экспериментальные результаты показывают, что вертикальная магнитная анизотропия устройства MTJ с использованием нового высокоэнтропийного оксидного барьера значительно улучшается, коэффициент TMR превышает 80%, а высота барьера уменьшается до менее половины материала MgO. Это свойство материала не только значительно увеличивает ток туннелирования, но и снижает общее сопротивление устройства. Этот технологический прорыв обеспечивает новые материальные решения для разработки меньших размеров, большей емкости и более мощных жестких дисков (HDD) и магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM).

Исследовательская группа заявила, что следующим шагом станет дальнейшая разработка туннельных барьерных материалов с более низким сопротивлением и более высоким соотношением TMR путем оптимизации многоэлементных комбинаций и соотношений. В то же время будут внедрены технологии, основанные на данных, такие как машинное обучение, для ускорения процесса разработки новых материалов и содействия разработке высокопроизводительных устройств памяти высокой емкости.