Исследование может привести к новому типу энергонезависимой памяти

3 марта 2016 г., 10:45

Способность управлять наноразмерными магнитными полями с помощью электрического поля имеет привлекательное применение в наномеханических, нанооптических и наноэлектронных устройствах, а также важное значение для магнитных элементов памяти и наномагнитной логики. В журнале Nanotechnology исследователи описали 'энергонезависимый' обратный магнитно-электрический эффект в эллиптических наномагнитах FeGa, размещенных на пьезоэлектрической подложке PMN-PT (plumbum magnesium niobate-plumbum titanate).

Научно-исследовательские группы ранее были в состоянии повернуть намагниченность наноразмерных магнитострикционных магнитах, осажденных на пьезоэлектрический материал, с помощью электрического поля, создаваемого прикладыванием электростатического потенциала к пьезоэлектрику. Поле генерирует механическое напряжение в пьезоэлектрическом материале, которое частично передается наномагниту и вращается его намагниченность или производит изменение в магнитном состоянии. Эффект, однако, всегда временный, то есть намагниченность возвращается в исходное состояние после того, как снимается напряжение. Исследователи продемонстрировали 'энергонезависимую' версию этого эффекта, где намагниченность не возвращается к исходной ориентации или состоянию после того, как напряжение снимается. Вместо этого намагниченность сохраняется в новом состоянии на неопределенный срок.

Продемонстрированный эффект позволяет системе выступать в качестве энергонезависимой памяти. Эллиптические наномагнетики FeGa наносятся на пьезоэлектрическую подложку PMN-PT таким образом, что их главные оси параллельны друг другу. Во-первых, общее магнитное поле, приложенное вдоль направления главной оси, намагничивает все наномагниты и записывает цифровой бит информации (скажем, двоичный '0') в ориентации намагниченности каждого наномагнита, действующего в качестве элемента памяти. Далее, логическое дополнение бита '0' записывается только в выбранных ячейках памяти с помощью локального напряжения, избирательно прикладываемого к пьезоэлектрическим материалам под этими магнитами. Напряжение вращает намагниченности выбранных ячеек, тем самым стирая хранимый '0' и заменяя его логическим дополнением. Угол поворота, однако, отличается в разных ячейках из-за неоднородностей материала и формы, поэтому логическое дополнение бита '0' не однозначно является '1', а скорее битом, который можно обозначить как 'не 0'. Для приложений памяти любой бит, который 'не равен 0', можно точно рассматривать как бит '1'. После завершения этих двух шагов, биты '0' и 'не равно 0' будут правильно записаны в ячейках.

Исследователи из Университета Содружества Вирджинии сформировали эллиптические магнитострикционные наномагниты FeGa размером приблизительно 300 нм на доменных пьезоэлектрических подложках PMN-PT с использованием электронно-лучевой литографии. Они сначала приложили общее магнитное поле для намагничивания магнитов, а затем приложили электрическое напряжение ко всей подложке, генерирующее в ней общее электрическое поле 4,2 кВсм^-1. Это поле деформирует подложку и некоторые из этих деформаций переносятся на наномагниты FeGa. Намагниченность тех наномагнитов, которые не были слишком эллиптическими, поворачивается в разных направлениях. Более эллиптические наномагниты не испытывают вращение намагничивания, поскольку создаваемое механическое напряжение не является достаточно сильным, чтобы преодолеть энергетические барьеры анизотропии формы в этих наномагнитах. Повернутая намагниченность остается в своем новом направлении после отключения электрического напряжение, демонстрируя энергонезависимость. Исследователи также показали, что на вращение намагниченности влияет дипольное взаимодействие между наномагнитами. Намагниченность изолированных наномагнитов поворачивается менее чем на 90 градусов при механическом напряжении, генерируемом электрическим полем, но если есть дипольное взаимодействие с эллиптическими наномагнитами с большим эксцентриситетом, то их намагниченность вращается более чем на 90 градусов. Это последнее наблюдение можно использовать для реализации шлюза «логическое НЕТ».

Требуемое напряжение для генерации электрического поля 4,2 кВ см^-1 локально вокруг наномагнитов ~ 300 нм в поперечном размере составило ~ 200 мВ. Это напряжение V будет генерироваться путем приложения электростатического потенциала между металлическими контактными площадками, окружающими наномагнетик, и емкость площадки С будет ~ 1 fF. Следовательно, энергия, рассеиваемая при записи бита (CV²) будет только ~ 40 аJ, что делает это одним из самых энергоэффективных парадигм памяти.

Управление локальными магнитными полями с электрически генерируемой деформацией