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磁性隨機存儲器和斯格明子研究的新利器:離子輻照磁性精細調控系統

發布時間: 2022-05-12  點擊次數: 336次

 

今年1月,三星電子在頂級學術期刊 Nature 上發表了全·球首·個基于 MRAM(磁性隨機存儲器)的存內計算研究。存內計算由于毋需數據在存儲器和處理器間移動,大大降低了 AI 計算的功耗,被視作邊緣 AI 計算的一項前沿研究。三星電子的研究團隊通過構建新的 MRAM 陣列結構,用基于 28 nm CMOS 工藝的 MRAM 陣列芯片運行了手寫數字識別和人臉檢測等 AI 算法,準確率分別為 98% 和 93%。研究人員表示,MRAM 芯片應用于 in-memory computing(內存內計算)電腦,十分適合進行神經網絡運算等,因為這種計算架構與大腦神經元網絡較為相似。

 

MRAM 器件在操作速度、耐用性和量產等方面具有優勢,但其較低的電阻使 MRAM 存儲器在傳統的存內計算架構中無法達到低功耗要求。在本篇論文中,三星電子的研究人員構建了一種基于 MRAM 的新存內計算架構,填·補了這一空白,這是MRAM研究的又一新突破。

 

近期,國內的眾多課題組也在MRAM研究上取得了許多重量級的工作。例如北航的趙巍勝課題組在2020年發表在APL上的——具有垂直各向異性的氦離子輻照W-CoFeB-MgO Hall bars中的自旋軌道矩(SOT)驅動的多層轉換一文中,運用了獨特的氦離子輻照技術對W(4 nm)/CoFeB (0.6 nm)/MgO (2 nm)/Ta (3 nm)多層膜進行了結構的調控,通過對調控前后以及過程中磁學和電學性質變化的研究,表明這種使用離子輻照調控多層電阻的方法在實現神經形態和記憶電阻器件領域顯示出巨大的潛力。

 

圖中Kerr 圖像顯示了 SOT 誘導的磁化轉換過程中Hall bars電流的增加,白色虛線表示縱向電流線和橫向電壓線。紅色方框對應于氦離子輻照區域。(ii) 和 (iv) 中的黃色箭頭代表疇壁運動的方向。

 

離子輻照除了在MRAM研究領域小試牛刀外,在斯格明子的研究中也令人眼前一亮。

 

法國自旋電子中心(SPINTEC) 和法國Spin-Ion公司合作發表在NanoLetters上的一篇文章,題目為:氦離子輻照讓磁性斯格明子“走上正軌”。文中指出,氦離子輻照可被用于在“賽道上”“創造”和“引導”斯格明子,文章證明了氦離子輻照帶來的垂直磁各向異性和DMI的變小,可導致穩定的孤立斯格明子的形成。

 

 

 

圖中紅色軌道尺寸為6000×150 nm2,間距為300 nm,用氦離子輻照的區域。

 

 

圖中顯示了氦離子輻照的紅色軌道區域不同磁場下的MFM圖像。

 

以上兩篇文章采用的離子輻照設備來自法國Spin-Ion公司。法國Spin-Ion公司于2017年成立,源自法國國家研究中心/巴黎-薩克雷大學的知·名課題組。Spin-Ion公司采用Ravelosona博士的創新技術,在磁性材料的離子束工藝方面有20年的經驗,擁有4項專·利和40多篇發表文章。Spin-Ion公司推出的產品——可用于多種磁性研究的離子輻照磁性精細調控系統Helium-S®,可通過緊湊和快速的氦離子束設備精確控制原子間的位移。該設備使用特有的離子束技術在原子尺度上加工材料,可通過離子束工藝來調控薄膜和異質結構。目前已有20多家科研和工業的用戶以及合作伙伴使用該技術。2020年Spin-Ion公司在中國也已安裝了第一套系統,Helium-S®獨·有的技術能力正吸引來自相關科研圈和工業領域越來越多的關注。

 

 

 

產品主要應用領域:

  • 磁性隨機存儲器(MRAM):自旋轉移矩磁性隨機存儲(STT-MRAM), 自旋軌道矩磁性隨機存儲(SOT-MRAM), 磁疇壁磁性隨機存儲(DW-MRAM)等

  • 自旋電子學:斯格明子,磁性隧道結,磁傳感器等

  • 磁學相關:磁性氧化物,多鐵性材料等

  • 其他:薄膜改性,芯片加工,仿神經器件,邏輯器件等

 

產品特點:

可通過緊湊和快速的氦離子束設備精確控制原子間的位移,通過氦離子輻照可精確調控磁性薄膜或晶圓的磁學性質。

  • 可提供能量范圍為1-30 keV的He+離子束

  • 采用創新的電子回旋共振(ECR)離子源

  • 可對25毫米的試樣進行快速的均勻輻照(如幾分鐘)

  • 超緊湊的設計,節省實驗空間

  • 也與現有的超高真空設備互聯

 

測試數據:


調控界面各向異性性質和DMI

 

 

 

低電流誘發的SOT轉換獲取

 

 

 

控制斯格明子和磁疇壁的動態變化

 

 

 

 

用戶單位 已經購買該設備的國內外用戶單位:

University of California San Diego (USA)

University of California Davis (USA)

New York University (USA)

Georgetown University (USA)

Northwestern University (USA)

University of Lorraine (France)

SPINTEC Grenoble (France)

University of Cambridge (UK)

University of Manchester (UK)

Beihang University (China)

Nanyang Technological University and A*STAR (Singapore)

University of Gothenburg (Sweden)

Western Digital (USA)

IBM (USA)

Singulus Technologies (Germany)

 

 

文章列表:

[1]. Tailoring magnetism by light-ion irradiation, J Fassbender, D Ravelosona, Y Samson, Journal of Physics D: Applied Physics 37 (2004)

[2]. Ordering intermetallic alloys by ion irradiation: A way to tailor magnetic media, H Bernas & D Ravelosona, Physical review letters 91, 077203 (2003)

[3]. Influence of ion irradiation on switching field and switching field distribution in arrays of Co/Pd-based bit pattern media, T Hauet & D Ravelosona, Applied Physics Letters 98, 172506 (2011)

[4]. Ferromagnetic resonance study of Co/Pd/Co/Ni multilayers with perpendicular anisotropy irradiated with helium ions, J-M.Beaujour & A.D. Kent & D.Ravelosona &E.Fullerton, Journal of Applied Physics 109, 033917 (2011)

[5]. Irradiation-induced tailoring of the magnetism of CoFeB/MgO ultrathin films, T Devolder & D Ravelosona, Journal of Applied Physics 113, 203912 (2013)

[6]. Controlling magnetic domain wall motion in the creep regime in He-irradiated CoFeB/MgO films with perpendicular anisotropy, L.Herrera Diez & D.Ravelosona, Applied Physics Letter 107, 032401 (2015)

[7]. Measuring the Magnetic Moment Density in Patterned Ultrathin Ferromagnets with Submicrometer Resolution, T.Hingant & D.Ravelosona & V.Jacques, Physical Review Applied 4, 014003 (2015)

[8]. Suppression of all-optical switching in Heirradiated Co/Pt multilayers: influence of the domain-wall energy, M El Hadri & S Mangin & D Ravelosona,  J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 215004 (2018)

[9]. Tuning the magnetodynamic properties of all-perpendicular spin valves using He+ irradiation, Sheng Jiang & D.Ravelosona & J.Akerman, AIP Advances 8, 065309 (2018)

[10]. Enhancement of the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction and domain wall velocity through interface intermixing in Ta/CoFeB/MgO, L Herrera Diez & D Ravelosona, Physical Review B 99, 054431 (2019)

[11]. Enhancing domain wall velocity through interface intermixing in W-CoFeB-MgO films with perpendicular anisotropy, X Zhao & W.Zhao & D Ravelosona, Applied Physics Letter 115, 122404 (2019)

[12]. Controlling magnetism by interface engineering, L Herrera Diez & D Ravelosona, Book Magnetic Nano- and Microwires 2nd Edition, Elsevier (2020)

[13]. Reduced spin torque nano-oscillator linewidth using He+ irradiation, S Jiang & D Ravelosona & J  Akerman, Appl. Phys. Lett. 116, 072403 (2020)

[14]. Spin–orbit torque driven multi-level switching in He+ irradiated W–CoFeB–MgO Hall bars with perpendicular anisotropy, X.Zhao & M.Klaui & W.Zhao & D.Ravelosona, Appl. Phys. Lett 116, 242401 (2020)

[15]. Magnetic field frustration of the metal-insulator transition in V2O3, J.Trastoy & D.Ravelosona & Y.Schuller, Physical Review B 101, 245109 (2020)

[16]. Tailoring interfacial effect in multilayers with Dzyaloshinskii–Moriya interaction by helium ion irradiation, A.Sud & D.Ravelosona &M.Cubukcu, Scientific report 11, 23626 (2021)

[17]. Ion irradiation and implantation modifications of magneto-ionically induced exchange bias in Gd/NiCoO, Christopher J. Jensen & Dafiné Ravelosona, Kai Liu, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 540, 168479 (2021)

[18]. Helium Ions Put Magnetic Skyrmions on the Track, R.Juge & D.Ravelosona & O.Boulle, Nano Lett. 2021 Apr 14;21(7):2989-2996

 

 

參考文獻:
[1]. Nature 601, 211-216(2022)

[2]. Appl. Phys. Lett 116, 242401 (2020)

[3]. Nano Lett. 2021 Apr 14;21(7):2989-2996

 

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