Annonce du lauréat de la bourse 2025 du Stanford Advanced Materials College

Nous avons le plaisir d'annoncer que le lauréat de la bourse 2025 du Stanford Advanced Materials College est :

Brahmdutta Dixit
Université de Minnesota Twin Cities
Département de génie électrique et informatique, doctorant de troisième année

La recherche de Dixit propose une nouvelle conception basée sur le tungstène, le tantale et le niobium, qui offre une méthode pour améliorer l'efficacité des dispositifs semi-conducteurs à couple spin-orbite (SOT) et réduire la densité de courant critique. Ses travaux fournissent des indications précieuses pour le développement de futurs dispositifs électroniques à haute performance et à faible consommation d'énergie.

La bourse du Stanford Advanced Materials College récompense de jeunes chercheurs exceptionnels qui ont fait preuve d'une innovation et de prouesses intellectuelles exceptionnelles dans le domaine de la recherche et de l'application des matériaux. Nous félicitons chaleureusement Brahmdutta Dixit pour cette réalisation et exprimons simultanément notre sincère gratitude à tous les candidats. Grâce à la participation enthousiaste d'un si grand nombre d'éminents chercheurs, le processus de sélection lui-même est devenu un échange académique de haut niveau, offrant un aperçu de l'avenir passionnant de la science des matériaux.

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Projet gagnant :

Soumission originale du lauréat : Brahmdutta_Dixit_Stanford_Advanced_Materials_Scholarship_2025_Submission.pdf

Spintronique à base de métaux rares : Ni₄W à TaIrTe₄/NbIrTe₄ Plateformes à faible symétrie pour MRAM déterministe

Résumé :

La spintronique est un domaine fascinant, riche en physique, qui va au-delà du contrôle de la charge pour stocker des données. Elle exploite le spin de l'électron pour développer des mémoires non volatiles (NVM) à haute endurance, à faible énergie et à faible latence. Parmi les différentes générations de MRAM et de mécanismes de commutation [1], comme le montre la figure 1, il existe deux grandes catégories de mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) adoptées par l'industrie : le couple de transfert de spin (STT) et le couple spin-orbite (SOT). La STT-MRAM a toujours souffert d'une endurance limitée et de taux d'erreurs binaires plus élevés parce qu'elle utilise le même chemin pour la lecture et l'écriture. En revanche, la SOT-MRAM atténue ces problèmes en séparant les chemins de lecture et d'écriture. Dans la SOT-MRAM, il y a un canal en métal lourd pour générer un couplage spin-orbite (SOC). Les dispositifs SOT à base de métaux rares promettent une commutation magnétique sans champ et à très faible consommation d'énergie pour les NVM de la prochaine génération et le matériel probabiliste/AI.

Mes travaux actuels portent sur différents métaux lourds à faible symétrie commeNi4W, PtW (alliage) et sur des chalcogénures semi-métalliques à faible symétrie comme TaIrTe₄ et NbIrTe₄. Leur SOC élevé, leurs grandes fonctions de travail et leur riche chimie interfaciale permettent d'obtenir une commutation déterministe des MRAM SOT.

Figure 1 : (a) Paysage générationnel des MRAM : architectures à bascule, STT, thermiquement assistées, SOT et optiquement assistées. (b) Régimes dynamiques correspondants : fs-ps (démagnétisation ultrarapide, relaxation de spin, précessioncohérente ), ps-ns (couples de spin), ns-µs (dynamique des parois de domaine et STT), et au-delà (effets thermiques et rétention magnétique) [1].

Sur cette base, en utilisant la pulvérisation magnétron compatible avec l'industrie, nous avons produit des couches minces épitaxiales de Ni₄W de haute qualité et rapporté une efficacité SOT élevée de 0,73, ce travail ayant été récemment publié par Advanced Materials. Dans le prolongement de ces travaux, nous ciblons maintenant l'accord du niveau de Fermi dans le Ni₄W via le contrôle de la stœchiométrie du tungstène et le dopage au cobalt dans le Ni4W afin d'aligner les états électroniques avec les pics de conductivité de Hall de spin (SHC), améliorant ainsi l'efficacité du SOT et réduisant la densité de courant critique. En parallèle, je fabrique des dispositifs à barres de Hall à base de flocons 2D exfoliés de TaIrTe₄ et de NbIrTe₄ afin d'exploiter leur faible symétrie intrinsèque pour une polarisation de spin non conventionnelle et une commutation contrôlable par la grille.

Article

Les métaux rares tels que le tungstène (W), le tantale (Ta) et le niobium (Nb) sont aujourd'hui les plus prometteurs des SOT-MRAM à base de spintronique. Lorsqu'ils sont placés à côté d'un ferromagnétique ultrafin tel que le permalloy (Py) et le CoFeB, ces éléments lourds convertissent le courant de charge en courants de spin transversaux par le biais d'un puissant SOC. Les spins injectés polarisés peuvent changer l'état de l'aimant ; c'est le principe fondamental de la mémoire SOT. Par rapport aux mémoires NVM conventionnelles basées sur le CMOS, comme la mémoire flash NAND, les dispositifs SOT offrent une non-volatilité, des écritures de l'ordre de la nanoseconde et une très faible énergie par bit, ce qui les rend attrayants pour les MRAM de type cache, les accélérateurs d'intelligence artificielle et l'informatique probabiliste en mémoire.

Deux problèmes principaux ont limité le déploiement à grande échelle de la SOT-MRAM : (1) la densité de courant critique (Jc) requise pour une commutation rapide, et (2) le champ magnétique externe nécessaire pour briser la symétrie dans les dispositifs à anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA). Dans cet article, j'essaierai d'expliquer comment le Ni₄W et les semi-métaux de Weyl à faible symétrie (TaIrTe₄ et NbIrTe₄) abordent directement les questions susmentionnées, et j'esquisserai une feuille de route expérimentale de plusieurs projets sur lesquels je travaille actuellement. Enfin, j'expliquerai comment mes recherches couvrent l'ensemble du spectre allant de la science des matériaux à la fabrication de dispositifs et à leur application dans l'industrie.

1) Source SOT à base de Ni₄W avec brisure de symétrie intégrée :

Dans notre récente étude, illustrée par la figure 2 (présentée en première page de l'Advanced Materials Journal) [2,3], nous avons découvert que le Ni₄W est un intermétallique riche en tungstène. Ses orientations cristallines à faible symétrie favorisent l'accumulation multidirectionnelle de spin, ce qui permet la commutation sans champ des jonctions tunnel magnétiques perpendiculaires (p-MTJ) lorsqu'elles sont correctement interfacées. En pratique, cela signifie que nous pouvons éliminer les aimants permanents ou les bobines de champ externes, ce qui est essentiel pour la surface, la fiabilité et la puissance.

Au-delà de la symétrie, le Ni₄W peut offrir un rendement SOT élevé de 0,73. Le chiffre de mérite, l'angle de Hall de spin effectif ou l'efficacité du couple amortisseur, dépend de manière sensible des états électroniques autour du niveau de Fermi (EF). Les pics de la courbure de Berry du spin et les "points chauds" de la structure de bande peuvent amplifier la conversion de la charge en spin.

Figure 2 : Vue schématique du Ni₄W(211)/CoFeB, mettant en évidence les spins orientés dans plusieurs directions. (b) Représentation structurale du cristal tétragonal de Ni₄W. (c) Balayage XRD θ-2θ pour Al2O3(0001)/W (2 nm)/Ni4W (30 nm)/CoFeB (5 nm)/cap. Encadré : courbe de basculement de la réflexion Ni4W(211) (FWHM = 0,084°). (d) Comparaison des angles de Hall de spin conventionnels (dans le plan) et hors plan du Ni₄W avec les principaux matériaux SOT. (e) Carte de l'espace réciproque de la même pile, tracée en coordonnées saphir [2].

2) Accord du niveau de Fermi avec la stœchiométrie du W et le codopage du Co :

Actuellement, j'accorde systématiquement le niveaude Fermi dans le Ni₄W par dopage de trous en ajustant la teneur en tungstène et en introduisant un léger co-dopage au cobalt (Co).

Figure 3 : Angles de Hall de spin pour Ni₄W(211). Les courbes vertes, jaunes et bleues indiquent θY, θZ et θX ; les courbes pleines et en pointillés indiquent deux directions de courant orthogonales. La ligne pointillée rouge indique la SHA la plus élevée pouvant être atteinte pour ce niveau de fermi spécifique [2].

Comme le montre la figure 3, l'objectif est d'alignerEF sur le maximum de SHC (ligne pointillée rouge), ce qui devrait (a) augmenter l'efficacité du couple amortisseur (en augmentant le courant de spin délivré au ferromagnétique). (b) Abaisser Jcpour une commutation en nanosecondes. (c) préserver la faible résistivité et la stabilité thermique nécessaires à une intégration étroite en bout de ligne (BEOL). Actuellement, Globalfoundries dispose de STT-MRAM sur des plates-formes CMOS FDX 22 nm et HKMG 28 nm entre les lignes métalliques M4-M5 de BEOL.

3) Mon approche pour l'étude de l'alliage Ni4W et du SOT dopé au Co :

Je dépose du Ni₄W (211) sur des substrats de saphir par pulvérisation magnétron à courant continu et je cible les orientations signalées pour maximiser les composantes de spin non conventionnelles. La XRD/courbe de basculement et la cartographie de l'espace réciproque garantissent la texture souhaitée, tandis que l'AFM et le TEM évaluent la qualité de l'interface. En outre, j'effectue un contrôle UPS/XPS de la fonction de travail et de la composition du Ni, du W et du Co dans les films minces pulvérisés. Ensuite, je pulvérise une couche ferromagnétique comme Py et CFB, pour la mesure SOT, je fais du Hall de seconde harmonique et du FMR de couple de spin, j'extrais les composants de type amortissement/de type champ. En outre, en utilisant des barres de Hall et des p-MTJ, je quantifie la probabilité de commutation en fonction de la largeur d'impulsion, de l'échelle énergie-délai et de la rétention.

4) Étude SOT des semi-métaux de Weyl à faible symétrie TaIrTe₄ et NbIrTe₄ :

Comme le montre la figure 4, les alliages à base de métaux rares Ta et Nb tels que TaIrTe₄ et NbIrTe₄, des semi-métaux en couches, ont une symétrie cristalline intrinsèquement faible. Cette faible symétrie permet des polarisations de spin non conventionnelles (y compris le spin z OOP) sous l'effet d'un courant dans le plan. Cela permet une commutation sans champ sans couches de rupture de symétrie supplémentaires.

Figure 4 : (a) Structure cristalline des semi-métaux de Weyl TaIrTe4 et NbIrTe4. (b) Données XRD du TaIrTe4 obtenues à l'aide d'un appareil à rayons X basé sur le Co. (c), (d) Image microscopique d'un dispositif de barre de hall à motifs de l'empilement TaIrTe4/Py/Ru avant la gravure et après la gravure respectivement.

J'exfolie mécaniquement des flocons de TaIrTe₄ et de NbIrTe₄ à partir de monocristaux sur dessubstrats isolantsSi/SiO2 pré-modelés, je pulvérise une couche ferromagnétique de Py ou de CoFeB et j'en fais des barres Hall par lithographie par faisceau d'électrons. Le déroulement complet du processus est présenté à la figure 5. Avec ces barres Hall, je réalise des Hall de seconde harmonique, je mesure le signal de spin-magnétorésistance unidirectionnel (USMR) et j'explore le gating électrostatique (diélectriques HfO₂/Al₂O₃) pour moduler l'anisotropie magnétique de contrôle de volume et l'effet de champ électrique.

Figure 5 : Processus de fabrication des barres de Hall des dispositifs à pile TaIrTe/Py/Ru pour les mesures de la seconde harmonique et de l'USMR.

5) Intégration des effets de contrôle de la tension comme l'anisotropie magnétique de contrôle de la tension :

Dans notre étude récente [4], comme le montre la figure 6, nous avons montré que le réglage de la fonction de travail de la sous-couche sous CoFeB/MgO peut amplifier de façon marquée la VCMA. Dans les empilementsW/PtxW1-x/CoFeB/MgO, l'augmentation de la teneur en Pt accroît la fonction de travail du métal et appauvrit en électrons l'interface CoFeB/MgO à l'équilibre, ce qui renforce la réponse du champ électrique de l'anisotropie interfaciale. L'UPS et le XPS confirment le déplacement de la fonction de travail et le transfert de charge interfaciale. En ajustant la teneur en Pt, nous avons obtenu un coefficient VCMA jusqu'à ~ 8× plus grand qu'un contrôle W pur, avec la meilleure performance àPt77W23.

6) Applications et impact :

Mes projets sur les nouveaux matériaux à faible symétrie commeNi4W, TaIrTe4et NbIrTe4aideront l'industrie à adapter la SOT-MRAM aux caches et aux mémoires intégrées. Les empilements sans champ basés sur ces métaux rares suppriment les champs externes et simplifient les circuits périphériques. Avec un dopage optimisé et une symétrie cristalline, l'énergie par bit peut atteindre le régime du femtojoule, ce qui contribue directement à réduire la consommation d'énergie des centres de données.

Figure 6 : (a) Schéma de la section transversale du dispositif à barre de Hall à grille. (b) Alignement des niveaux d'énergie pour CoFeB dans la limite de la bande plate lorsqu'il est associé à W, Pt₇₇W₂₃ ou Pt et schéma de l'appauvrissement en électrons de CoFeB/MgO dans une sous-couche de PtₓW₁₋ₓ à haute fonction de travail à l'équilibre thermique. (c) Diagrammes de distribution (diagrammes en boîte) de Ki et VCMA pour différents alliages PtxW1-x utilisés comme sous-couches [4].

Ces nouveaux dispositifs SOT-MRAM peuvent également être utilisés dans l'informatique probabiliste et en mémoire. En contrôlant la probabilité de commutation via la largeur d'impulsion et la tension de grille, ces dispositifs MRAM agissent comme des p-bits ou des échantillonneurs pondérés, ce qui est également utile dans les accélérateurs d'optimisation et d'IA générative.

Les NVM basées sur le CMOS ont des problèmes de radiation dans les activités d'exploration spatiale. La SOT-MRAM a ouvert la voie à une électronique sécurisée et résistante aux radiations. Les bits magnétiques résistent aux erreurs légères ; les piles à base de métaux rares sont robustes à la température et aux radiations, ce qui est important pour l'aérospatiale.

Grâce à ces travaux de recherche, nous pouvons anticiper les résultats suivants : (i) une carte dopant/stœchiométrie pour maximiser le SOT dans le Ni₄W, (ii) une commutation sans champ dans les semi-métaux exfoliés à faible symétrie, et (iii) des voies d'intégration pour une MRAM SOT fiable et manufacturable et pour l'informatique stochastique. Plus généralement, le projet met en évidence la façon dont les métaux rares (W, Ta, Nb) peuvent être modifiés au niveau de la structure de la bande pour fournir une électronique durable et à fort impact, faisant progresser à la fois la spintronique fondamentale et les technologies de mémoire pratiques.

Biographie

Brahmdutta Dixit est chercheur entroisième année de doctorat au laboratoire de nanomagnétisme et de spintronique quantique de l'université de Minnesota Twin-Cities, Minnesota, États-Unis. Il a six ans d'expérience combinée dans l'industrie et l'université dans les domaines de la physique des dispositifs, de la science des matériaux et de la spintronique. Ses travaux actuels portent sur la spintronique des métaux rares : Ni₄W épitaxié comme source SOT multidirectionnelle ; réglage du niveau de Fermi via la stœchiométrie du W et le co-dopage au Co pour améliorer l'efficacité du couple et réduire le courant d'écriture ; et dispositifs à barres de Hall TaIrTe₄/NbIrTe₄ exfoliés pour la commutation sans champ. Il intègre la croissance de couches minces avec XRD/UPS/XPS, ST-FMR, Hall de seconde harmonique, AHE/USMR, et co-conçoit des SOT avec une anisotropie magnétique à contrôle de tension (VCMA) et un couplage d'échange à contrôle de tension (VCEC) pour des opérations MRAM de quelques fJ. Auparavant, il a travaillé en tant qu'ingénieur de dispositif/intégration chez GlobalFoundries (amélioration du rendement et du processus dans les technologies FinFET 14 nm, HKMG 28 nm et NVM 40 nm) et en tant que stagiaire en validation de technologie avancée chez Advanced Micro. Devices (AMD) (corrélation de la méthodologie et du rendement sur des nœuds de pointe tels que 3nm et 5nm FinFET). Auparavant, à l'université de Würzburg, en Allemagne, il a travaillé sur des empilements d'isolants topologiques 3D HgTe/CdHgTe/Py obtenus par MBE. Médaillé d'or de l'université de Mizoram, il est co-auteur d'articles parus dans Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Physics Reports et ACS Nano.

Références :

[1] Dikshit, Surya Narain, Arshid Nisar, Brahmdutta Dixit, et.al. "Optically assisted ultrafast spintronics : A review". Physics Reports 1140 (2025) : 1-46. (IF : 29.5)

[2] Yang, Yifei, Seungjun Lee, Yu-Chia Chen, Qi Jia, Brahmdutta Dixit, et al. "Large Spin-Orbit Torque with Multi-Directional Spin Components in Ni4W." Advanced Materials (2025) : 2416763. (IF : 26.8)

[3] Yang, Yifei, Seungjun Lee, Yu-Chia Chen, Qi Jia, Brahmdutta Dixit et al. "Large Spin-Orbit Torque with Multi-Directional Spin Components in Ni4W (Adv. Mater. 32/2025)." Advanced Materials 37, no. 32 (2025) : e70089. (Page de couverture)

[4] Chen, Yu-Chia, Thomas Peterson, Qi Jia, Yifei Yang, Shuang Liang, Brandon R. Zink, Yu Han Huang, Deyuan Lyu, Brahmdutta Dixit et Jian-Ping Wang. "Large and Tunable Electron-Depletion-Based Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy in the CoFeB/MgO System via Work-Function-Engineered Pt x W1-x Underlayers" (Anisotropie magnétique contrôlée par tension dans le système CoFeB/MgO via des sous-couches de Pt x W1-x conçues pour la fonction de travail). ACS nano 19, no. 16 (2025) : 15953-15962. (IF : 16.0)