新加坡科技研究局(A*STAR)和南洋理工大學(NTU)的研究人員製作出一種新型薄膜材料,可用於控制一種稱為「磁斯格明子」(magnetic skyrmions)的磁自旋架構大小和密度——這種磁自旋架構是打造基於skyrmion的記憶體元件之關鍵。

A*STAR/NTU的這項最新發現已刊登於《自然材料》(Nature Materials)期刊中。該研究報告的主要作者—— 研究人員Anjan Soumyanarayanan指出,「斯格明子」(skyrmion)理論上是由英國物理學家Tony Skyrme在1962年提出的。1989年首次出現有關磁斯格明子的預測,並於2009年時被發現如同結晶材料一樣存在-250℃的極低溫下。

Soumyanarayanan說:「這溫度真的很低,而且幾乎無法使用。」

從而時起,這種材料在記憶體的應用一直相當激勵人心,特別是在2013年經由連續的金屬堆疊中發現室溫skyrmion之後。他說:「那真是改寫了原有遊戲規則。」

Skyrmion材料的穩定性是實現未來記憶體願景的一部份。就像許多新興的記憶體技術一樣,其潛力在於讓元件能在使用更少功率的情況下容納更多的資訊。Soumyanarayanan說:「它們真的非常小,而且極其穩定。」

他並補充說,其潛力並不只是實現較小的非揮發性記憶體元件,而是更小一個數量級。「skyrmon甚至可能影響幾十年的記憶體開發藍圖。」

A*STAR/NTU的研究論文中描述了研究人員如何為這些微小的skyrmion進行電氣檢測——這些微小顆粒狀的磁性結構,比紅血球更小約400倍。它們可以用磁性材料製成,而其於小尺寸時的穩定性則使其成為記憶體元件的理想選擇。

20170907_skyrmion_NT02P1 在均勻磁化背景下的磁斯格明子(magnetic skyrmions)陣列

在一般的鐵磁體中,磁矩或自旋均相互平行排列,以形成任意尺寸的均勻磁化狀態。相形之下,Soumyanarayanan解釋說,skyrmion則是一種尺寸受限的自旋結構。在skyrmion中心的旋轉點與背景相反。以對掌方式圍繞著中心旋轉,並順利地恢復至背景方向。skyrmion圍繞中心旋轉的自旋結構有點類似在水池中所生產的漩渦。

但是,以skyrmion的發生行為來思考可能更有用。他說,skyrmion表現的就像奈米級磁性顆粒,可以用磁性顯微觀察到,包括其自行組織成循序的陣序或晶格。他們可以透過電流單獨製作、移動以及刪除。他說:「他們就好像是棋盤上的棋子一樣。」

研究人員們為skyrmion開發了一種新的多層薄膜平台,由銥(Ir)、鐵(Fe)、鈷(Co)和鉑(Pt)分層依序堆疊。Soumyanarayanan說:「這四個分層被重覆堆疊數次,以產生完整的堆疊結構。」多層膜使用濺射技術沉積在CMOS相容的矽基底上,這是目前用於商業開發記憶體元件的製造製程。

「這種材料平台讓我們能直接控制磁的相互作用,藉由改變建構層的厚度,管理skyrmion的特性。這使我們得以將skyrmion的大小改變2倍,提高其穩定度與密度達10倍。」Soumyanarayanan說,它還讓研究人員針對元件要求量身打造skyrmion配置,同時採用業界相容的製造技術。研究人員還展示了環境skyrmion的電子檢測,即所謂的「霍爾效應」(Hall),這也是實現元件應用所必需的。

20170907_skyrmion_NT02P2 左:以Ir/Fe/Co/Pt依序堆疊的多層堆疊;右:放大其中的一個Ir/Fe/Co/Pt堆疊

A*STAR和NTU在兩年多前展開了一個關於skyrmion的共同研究計劃,並且花了一年多的時間進行實驗和模擬,最終確認了這種特定的多層堆疊結構非常適合解決這個問題。Soumyanarayanan表示:「到目前為止,這是一種由可調諧skyrmion組成的獨特材料。」

Soumyanarayanan指出,儘管全球各地的幾個研究團隊在2015-16年間發現了室溫skyrmion,但卻無法發展出可調諧的skyrmion特性或電氣檢測,但這卻是將薄膜移至元件的關鍵要素。美國加州勞倫斯柏克萊(Lawrence Berkeley National Laboratory;LBNL)實驗室也一直在與A*STAR和NTU合作進行相關研究。

研究人員必須克服的下一個障礙是在製造元件的同時,也確保磁性的一致。Soumyanarayanan說,在奈米結構中管理skyrmion穩定性的實體機制及其讀寫等節,還有待完全確定,儘管他對此抱持樂觀看法,但並不打算揣測時間表。「一旦我們能以更合理的電氣參數,在元件中證實具確定性的讀取與寫入,並證實這些現象的可擴充性與可重覆性,那麼就意味著這項技術成熟,足以實現商用化了。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Magnetic Skyrmions Hold Promise for Next-Gen Memory Devices,by Gary Hilson)