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近日，大阪大學研究人員在《先進科學》雜志上發(fā)表了一項關于磁阻RAM（MRAM）設備的研究成果，該研究提出了一種用于MRAM設備、具有低能耗數據寫入的新技術。 在當前的主流存儲器技術領域中，傳統(tǒng)動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）存在諸多局限性，例如雖然讀寫速度快，但功耗較大、存儲容量低、成本偏高，并且在斷電情況下無法保存數據，這使得其使用場景受限；而NAND Flash存儲器的讀寫速度較低，其存儲密度明顯受到工藝制程的限制。隨著科技發(fā)展，為了突破DRAM、NAND Flash等傳統(tǒng)存儲器技術的局限，存儲技術不斷創(chuàng)新發(fā)展，新型存儲技術逐漸受到廣泛關注。 磁阻RAM（MRAM）便是眾多新型存儲技術中的一種具有潛力的類型。與傳統(tǒng)RAM相比，MRAM具備多種優(yōu)勢，像非揮發(fā)性（能夠保存數據而不需要持續(xù)供電）、高速運行、存儲容量具備增長潛力以及耐用性有所增強等。然而，MRAM設備也面臨著一些技術挑戰(zhàn)，其中降低數據寫入過程中的能耗尤為關鍵。 大阪大學研究人員提出的這項新技術為解決MRAM設備寫入能耗問題帶來了新的可能。目前，現有的MRAM器件大多需要電流來切換磁隧道結的磁化矢量，這一過程類似于DRAM器件中切換電容器電荷狀態(tài)的操作。但在數據寫入過程中，由于需要較大的電流來切換磁化矢量，這必然會產生焦耳熱，從而消耗大量能量。而大阪大學的研究成果是開發(fā)了一種用于控制MRAM器件電場的新元件。 這種新元件的關鍵技術是一種多鐵異質結構，該結構的磁化矢量能夠通過電場進行切換。其中，異質結構對電場的響應可通過逆磁電（CME）耦合系數來衡量，數值越大意味著磁化響應越強。研究人員之前的研究中，曾報道過一種多鐵異質結構，其CME耦合系數超過10⁻⁵s/m。不過，這種結構中的鐵磁層（Co₂FeSi）部分存在結構波動，這一波動使得實現所需的磁各向異性變得困難，進而阻礙了可靠的電場操作。 
界面多鐵性結構示意圖 為了解決這一問題，研究人員進一步開發(fā)了新技術，在鐵磁層和壓電層之間插入一層超薄的釩層。通過插入這一釩層，能夠實現清晰的界面，可有效地控制Co₂FeSi層中的磁各向異性。此外，這種改進后的結構，其CME效應所達到的值大于不包含釩層的類似設備所達到的值。而且研究人員還證明，借助改變電場的掃描操作，能夠在零電場的情況下可靠地實現兩種不同的磁狀態(tài)，即在零電場下有意實現非易失性二元狀態(tài)。
鐵磁 Co2FeSi 層/原子層/壓電層界面的原子圖像。左側的結構使用 Fe 原子層，而右側顯示的 V 層清晰可見，促進了上方鐵磁Co2FeSi層的晶體取向。 這一研究成果表明，通過精確控制多鐵異質結構，能夠滿足構建實用的磁電（ME） - MRAM設備的兩個關鍵要求，也就是具備零電場的非易失性二元狀態(tài)和較大的CME效應。如果這種基于電場寫入方案的MRAM設備能夠成功實現商業(yè)化生產，將有可能為傳統(tǒng)RAM提供有效的替代方案，這對于推動存儲器技術的發(fā)展有著重要意義。 需要注意的是，目前新型存儲市場主要側重于低延遲存儲與持久內存方面，雖然在性能等方面展現出潛力，但還不足以替代DRAM和NAND閃存占據的主流市場地位。不過，隨著5G時代的發(fā)展，物聯(lián)網、人工智能、智慧城市等應用市場不斷拓展并對存儲器提出多樣化需求，同時傳統(tǒng)存儲器市場價格波動等因素影響，新型存儲器在未來的市場將發(fā)揮更為重要的作用。 |
