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Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22061 (2022) Citer cet article

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En raison de sa proximité avec la température ambiante et de son degré élevé d'accordabilité en température, la transition d'ordre métamagnétique de FeRh est attrayante pour les nouveaux dispositifs informatiques hautes performances cherchant à utiliser le magnétisme comme variable d'état. Nous démontrons le contrôle électrique de la transition antiferromagnétique à ferromagnétique par chauffage Joule dans des fils de FeRh. La transition magnétique de FeRh s'accompagne d'un changement de résistivité, qui peut être sondé électriquement et permet une intégration dans des dispositifs de commutation. Les simulations par éléments finis basées sur une transition d'état abrupte dans chaque domaine aboutissent à une transition globalement douce qui est en accord avec les résultats expérimentaux et donne un aperçu de la thermodynamique impliquée. Nous mesurons une diminution de 150 K de la température de transition avec des courants jusqu'à 60 mA, limitée uniquement par les dimensions de l'appareil. Le décalage important des échelles de température de transition avec la densité de courant et la longueur du fil, suggérant que la résistance absolue et la dissipation thermique du substrat sont également importantes. Le changement de phase FeRh est évalué par IV pulsé en utilisant une variété de conditions de polarisation. Nous démontrons un comportement de type memristor à grande vitesse (~ ns) et rapportons des paramètres de performance de l'appareil tels que la vitesse de commutation et la consommation d'énergie qui se comparent favorablement aux technologies memristives à changement de phase de pointe.

Les matériaux magnétiques sont des composants cruciaux des dispositifs de mémoire en raison de leur non-volatilité inhérente, de leur résistance aux radiations et de leur facilité de contrôle1,2,3,4. L'utilisation de la magnétisation comme variable d'état présente plusieurs avantages par rapport aux dispositifs basés sur la charge5. D'une part, les fréquences de résonance dans les matériaux magnétiques sont au moins un ordre de grandeur plus rapides que la technologie DRAM existante (f ~ 6400 mégahertz pour la DDR5) : gigahertz pour les ferromagnétiques et térahertz pour les antiferromagnétiques6,7. Actuellement, la technologie MRAM disponible dans le commerce repose sur le couple de transfert de spin pour manipuler la direction du moment magnétique et commuter la couche magnétique libre dans les jonctions tunnel magnétiques8. Cela nécessite une amplitude de courant élevée qui peut dégrader assez rapidement la barrière tunnel, rendant le dispositif inutilisable9,10.

Une approche alternative pour utiliser des dispositifs basés sur la magnétisation consiste à basculer l'état de magnétisation lui-même en commutant entre une phase ferromagnétique (FM) et antiferromagnétique (AFM), donnant un état marche/arrêt clair dans un dispositif à changement de phase. Les dispositifs de mémoire à changement de phase (PCM) fonctionnent généralement sur la base du contraste de résistivité des phases cristallines amorphes et conductrices isolantes11,12. En effet, les dispositifs PCM capables de temps d'écriture plus rapides et d'une plus grande endurance que la mémoire NAND traditionnelle sont à portée de main12. FeRh fournit une plate-forme idéale pour les mémoires à changement de phase rapides et simples sur le plan lithographique en raison de sa transition AFM vers FM qui s'accompagne d'une expansion volumétrique du réseau cristallin de type CsCl et d'un changement significatif de résistivité13,14,15. La commutation FeRh est unique car elle est basée sur un changement de phase magnétique, mais fonctionnellement, cela se manifeste par un changement de résistivité.

De plus, la température critique (TCr), que nous définissons comme le début de la transition AFM-FM lors du chauffage, se produit près de la température ambiante et peut être ajustée à l'aide d'un dopage de substitution16, souche7,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25,26,27 et motifs24,28,29. Étant donné que la transition dépend de la température, la manipulation de l'appareil par chauffage Joule est également possible30. Un courant électrique circulant dans un fil FeRh peut chauffer le matériau au-dessus de TCr, induisant la transition AFM-FM29,31,32,33. Des rapports antérieurs sur FeRh suggèrent que la transition est très rapide, se produisant sur une échelle de temps ≤ 500 fs34. Cela pourrait conduire à une nouvelle classe de dispositifs PCM fonctionnant à des fréquences THz parfaitement adaptées aux applications informatiques neuromorphiques35.

Dans ce travail, nous démontrons une commutation résistive rapide des fils FeRh par chauffage Joule. Nous trouvons le décalage des échelles de température de transition AFM-FM avec à la fois la densité de courant et la géométrie du fil. Nous utilisons des mesures IV pulsées pour étudier les effets dynamiques de chauffage Joule et les pertes de commutation de puissance qui en résultent accompagnant la transition AFM-FM. Nous obtenons des vitesses de commutation d'appareils de l'ordre de 300 ns, valeur limitée par nos moyens de mesure. Nous effectuons des simulations basées sur la méthode des éléments finis pour confirmer l'explication du comportement observé et fournir un aperçu supplémentaire de la transition induite par la chaleur.

Des films de FeRh ont été développés sur des substrats de MgO par dépôt par pulvérisation avec des épaisseurs de 35 et 200 nm. Une couche de SiO2 de 500 nm a été déposée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) comme masque dur pour le broyage des ions FeRh. La photolithographie standard a été utilisée pour définir des barres et des fils Hall de 10 × 100 μm de largeurs et de longueurs variables. La lithographie par faisceau d'électrons (EBL) a été utilisée pour définir la géométrie du fil dans le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), suivie du dépôt métallique d'un masque dur Cr de 20 nm sur la surface de SiO2. Le SiO2 a ensuite été gravé par gravure ionique réactive au plasma à couplage inductif (ICP) avec 10 sccm CHF3 et 15 sccm Ar avec une pression de chambre de 30 mTorr, une puissance RF de 30 W et une puissance ICP de 600 W, définissant un masque dur pour le procédé de broyage ionique. Le masque Cr a été retiré par le processus de broyage ionique et tout SiO2 restant sur les fils FeRh est retiré par une deuxième étape ICP/RIE. Enfin, EBL a été utilisé pour définir des plots de liaison dans du PMMA suivi d'une évaporation par faisceau d'électrons de Ti/Au (10/50 nm) et d'un décollement de métal dans de l'acétone. Les fils FeRh fabriqués sont illustrés à la Fig. 1a, b.

( a ) Images optiques en vue de dessus des dispositifs FeRh à deux terminaux fabriqués avec des fils de 35 nm d'épaisseur avec des largeurs et des longueurs variant de 0,3 à 50 µm et de 2,5 à 100 µm, respectivement. L'image améliorée montre un fil FeRh avec une largeur, une hauteur et une épaisseur de 1 µm, 100 µm et 35 nm, respectivement. (b) Image optique tridimensionnelle de l'appareil montrant la topologie. ( c ) Résistance du fil FeRh de preuve de concept tout en faisant varier la température ambiante de 320 à 450 K. Les courbes rouges et bleues représentent respectivement les cycles de chauffage et de refroidissement. Les couleurs d'ombrage de fond indiquent les régimes de température auxquels le FeRh est AFM (bleu), FM (rouge) et en transition (blanc). ( d ) Résistivité de la barre FeRh Hall en fonction de la température ambiante tout en faisant varier la densité de courant à travers le dispositif. L'encart montre une image de la barre FeRh Hall avec une épaisseur de couche FeRh de 200 nm.

La qualité cristalline du FeRh a été évaluée à l'aide de la diffraction des rayons X et de la microscopie électronique à transmission à haute résolution, et les détails des films représentatifs ont déjà été rapportés ailleurs36. Des mesures de résistance ont été prises dans une station de sonde cryogénique à cycle fermé à l'aide d'un analyseur de paramètres. Toutes les données de mesure ont été recueillies alors que l'échantillon était sous un vide de < 1 × 10–4 Torr. Le logiciel COMSOL Multiphysics® a été utilisé pour la simulation par éléments finis et l'analyse des propriétés de transport électrothermique du FeRh et des matériaux environnants37.

Les films FeRh ont été transformés en barres Hall et en dispositifs filaires à deux bornes de dimensions variables. Des dispositifs représentatifs à deux terminaux sont illustrés à la Fig. 1a, l'image améliorée contenant un dispositif FeRh avec une épaisseur, une largeur et une longueur de fil de 35 nm, 1 μm et 100 μm, respectivement. La figure 1b montre une image optique tridimensionnelle du dispositif FeRh à deux bornes telle que mesurée à l'aide d'un microscope laser confocal. La figure 1c montre un schéma comportemental d'une barre FeRh Hall avec une épaisseur de film de 200 nm. Ici, la résistance est tracée en fonction de la température ambiante tout en appliquant un courant constant de 25 mA (2,5 × 106 A cm−2). Les couleurs d'ombrage de fond indiquent les trois régimes de température différents auxquels le FeRh est AFM (bleu), FM (rouge) et en transition (blanc). Lors du chauffage de l'appareil (courbe rouge), on voit le FeRh commencer la transition AFM-FM dès que la température dépasse TCr (T > 355 K). La transition de phase s'accompagne d'une résistance décroissante, persistant jusqu'à T > 420 K où le FeRh est complètement passé à la phase FM. Un effet similaire mais opposé se produit lors du refroidissement de l'appareil (courbe bleue ; transition FM-AFM pour 345 K < T < 410 K, transition AFM lorsque T < 345 K). Sur la figure 1d, nous affichons la résistivité (ρxx) d'une barre Hall de FeRh de 200 nm d'épaisseur (en médaillon) en fonction de la température pour des densités de courant allant de J = 1 × 106 A cm−2 à 5 × 106 A cm− 2 (10 mA à 50 mA, respectivement), mesurés en balayant la température de l'échantillon à une vitesse de ± 1 K min−1. La transition AFM-FM, comme en témoigne le changement brusque de résistivité, est observée pour chaque densité de courant appliquée quelle que soit la température ambiante, mais passe de 410 K à 1 × 106 A cm−2 à 255 K à 5 × 106 A cm− 2. La diminution de la température de transition s'accompagne d'un élargissement de la plage de transition qui peut être expliqué par notre modèle, comme discuté ci-dessous et dans le fichier complémentaire S1.

Une fois la dépendance en courant de la transition AFM-FM établie, nous avons ensuite étudié la transition à des températures fixes tout en balayant le courant dans les fils FeRh. La figure 2a montre la résistivité du fil en fonction de la densité de courant à des températures d'échantillon allant de 300 à 480 K pour un fil de 0,3 × 100 µm d'une épaisseur de 35 nm. A 300 K, le FeRh reste dans la phase AFM car le chauffage Joule induit est insuffisant pour élever la température du fil à TCr. A 320 K, la transition AFM-FM commence à une densité de courant élevée de ~ 3,3 × 107 A cm−2. À 340–360 K, nous observons une plus grande région de la transition AFM-FM, mais la densité de courant est insuffisante pour forcer la transition FM. À 380–400 K, le fil passe complètement en phase FM, puis lorsque la densité de courant diminue, la transition FM-AFM commence lorsque le fil est refroidi. À 420–440 K, le fil commence dans la phase AFM, puis passe à la phase FM avec une densité de courant croissante. Cependant, la température ambiante élevée empêche le FeRh de revenir à la phase AFM lors de la réduction de la densité de courant à zéro. À 460–480 K, le fil commence dans la phase FM, car la transition AFM-FM était entièrement pilotée par la température ambiante. Le décalage de la température de transition, mesuré comme le maximum de la courbe ρ-J où ρ commence à diminuer, est illustré dans l'encadré de la Fig. 2d. Le chauffage Joule dépend de la puissance appliquée et est directement proportionnel au carré du courant. Par conséquent, la densité de courant réduite requise pour la transition de phase AFM-FM à des températures plus élevées est une indication claire du chauffage Joule.

Analyse de la transition de phase magnétique FeRh par caractérisation du transport DC pour étudier les dépendances de température et géométriques. ( a ) Résistivité FeRh en fonction de la densité de courant pour des températures ambiantes allant de 300 à 480 K. Les données expérimentales présentées ici ont été obtenues en mesurant un fil FeRh avec une largeur, une longueur et une épaisseur de 0,3 µm, 100 µm et 35 nm , respectivement. La densité de courant critique, JCr, a diminué de manière significative à mesure que la température ambiante augmentait. La résistivité a ensuite été mesurée en fonction de la densité de courant pour une série de fils avec des longueurs (b) et des largeurs (c) variables. Les mesures ρ-J dépendantes de la longueur du fil ont été effectuées à l'aide d'un fil de 1 µm de large, tandis que les mesures ρ-J dépendantes de la largeur du fil ont été effectuées à l'aide d'un fil de 100 µm de long. L'encart de (c) montre la caractéristique IV mesurée pour les fils de largeur variable. (d) La dissipation de puissance critique est indiquée en fonction de la température ambiante pour des fils de 100 µm de long avec des largeurs de 0,3 µm (carrés rouges) et 1 µm (cercles bleus). Le graphique en médaillon en (d) montre la densité de courant critique pour les deux mêmes fils. Le phénomène d'échauffement Joule a été confirmé en ajustant les données PCr-T, au cours desquelles un TCr identique de 415 K a été extrait des deux fils de géométries différentes.

Les dépendances de la géométrie des fils ont été étudiées pour évaluer davantage les effets de la dissipation thermique. Ces mesures ont été effectuées à 400 K. La figure 2b montre les courbes ρ-J pour des fils FeRh de 1 µm de large avec des longueurs allant de 2,5 µm à 100 µm et une épaisseur de 35 nm. L'échelle de résistivité de chaque courbe est décalée pour plus de clarté. La densité de courant à travers un fil n'est pas mise à l'échelle en fonction de la longueur du fil. Néanmoins, on observe ici une température de transition AFM-FM réduite pour les fils plus longs. L'application d'une densité de courant constante à travers des fils de longueur croissante nécessite une polarisation appliquée plus importante. Quel que soit le profil thermique associé, des fils plus longs dissipent plus de puissance, ce qui entraîne une augmentation de la température du substrat. De même, comme le montrent les courbes ρ-J de la figure 2c, la largeur du fil affecte également la température de transition AFM-FM. Les données présentées ici ont été mesurées à l'aide de fils FeRh de 100 µm de long avec des largeurs allant de 0,3 à 50 µm. Les courbes sont décalées pour plus de clarté. Les fils plus gros ne peuvent pas refroidir aussi rapidement, car une plus grande surface d'interface FeRh/substrat entraîne une plus grande contribution de chauffage du substrat et une dissipation thermique réduite dans les contacts métalliques et l'environnement ambiant. La longueur de 100 µm a été choisie car la plupart des fils les plus courts ne passent pas complètement à travers la région d'hystérésis dans la plage de densité de courant donnée.

La figure 2d montre la dissipation de puissance critique, PCr, et la densité de courant critique, JCr (en médaillon), en fonction de la température pour deux fils FeRh de 100 μm de long avec des largeurs de 0,3 μm (carrés rouges) et 1,0 μm (cercles bleus). Comme le montre l'encadré, JCr ne diminue pas de manière linéaire avec l'augmentation de la température, conformément à un rapport précédent32. Cependant, une dépendance linéaire est observée lors du tracé de PCr en fonction de la température. La dissipation de puissance critique est calculée par

qui est exprimé en termes de courant critique (ICr) et de résistance critique (RCr) auxquels commence la transition FeRh AFM-FM. Une fois que le fil FeRh a atteint l'équilibre thermique, nous définissons PCr = αΔT, où α [WK−1] décrit la dissipation thermique du fil FeRh et ΔT est l'augmentation de température causée par le chauffage Joule. La dépendance linéaire de PCr sur T indique que la transition de phase AFM-FM est directement causée par le chauffage Joule. Notamment, un TCr identique de 415 K est observé pour les deux dimensions de fil lors de l'extrapolation de PCr à l'axe des abscisses. La pente des deux courbes PCr varie en raison de α, qui vaut − 1,09 WK−1 et − 1,66 WK−1 pour des largeurs de fil de 0,3 μm et 1 μm, respectivement. L'augmentation observée de l'amplitude α pour la plus grande largeur de fil est fonction de la zone d'interface FeRh/métal, conformément aux rapports précédents32.

Au-dessus et en dessous de la transition métamagnétique, les propriétés de transport électrique suivent celles des métaux typiques, où une diffusion accrue des phonons dégrade la conductance conduisant à un coefficient de température positif de résistance38. De plus, l'amplitude du coefficient de température de résistance est approximativement égale dans les états AFM et FM. La valeur absolue de la résistivité, et non sa dépendance à la température, diffère. Près de la température de transition métamagnétique, les domaines microscopiques de FeRh dans l'état AFM commencent à passer à l'état FM, modifiant simultanément la résistance globale du conducteur. La température précise à laquelle chaque domaine change est déterminée par les défauts, la déformation, l'état des domaines voisins, etc., créant une distribution de températures sur laquelle la transition complète se produit39. Par conséquent, pour un seul domaine, le changement de résistance avec la température apparaîtrait brusque et en forme de carré, tandis que la distribution des températures de transition dans un fil multi-domaine induirait un changement progressif. L'origine de ces mécanismes thermiques, ainsi que le comportement d'échauffement Joule observé, sont élucidés via des simulations par éléments finis. La physique du transfert de chaleur a été modélisée à l'aide de propriétés thermodynamiques (Cp, κ, densité) et électriques dépendant de la température. En particulier, la conductivité de FeRh en fonction de la température dans les états AFM et FM a été définie comme indiqué sur la figure S1a. Des détails de modélisation supplémentaires se trouvent dans le fichier supplémentaire S1.

Les dimensions de fil simulées et les conditions de polarisation (Fig. S1b) correspondent étroitement à celles de la Fig. 2a, et la simulation capture le comportement expérimental principal, vérifiant l'approche de modélisation. En particulier, dans le modèle, nous observons une hystérésis d'environ 10 à 15 K, une réduction du début de la température de transition avec une polarisation CC et une augmentation de la largeur de transition avec une polarisation CC, qui se reflètent toutes dans les résultats mesurés. Sur la Fig. S1c, d, nous simulons les dépendances de la longueur et de la largeur du fil qui ont été mesurées expérimentalement et illustrées sur la Fig. 2b, c. Ces tendances sont cohérentes avec les données expérimentales, où le courant admissible augmente significativement pour le fil le plus étroit. Cet effet est causé par la mise à l'échelle de l'ampérage en fonction de la masse volumique linéaire du fil36.

L'analyse des paramètres du modèle lors d'un balayage de température donne un aperçu des origines fondamentales des propriétés de transport mesurées à l'échelle mondiale. La figure 3a représente la résistivité du fil en fonction de la température du substrat pour une densité de courant de 5 × 106 A cm−2. La figure 3b montre les régions de dispositif décrites dans (i) à (vi), consistant en un contact métallique et la moitié du fil FeRh de 100 μm de long. Sur la figure 3c, nous montrons des cartes de surface de la température, de la résistivité et de l'état des domaines FeRh modélisés individuellement pour des températures de substrat de (i) 300 K, (ii) 365 K, (iii) 392 K, (iv) 422 K, (v ) 412 K, et (vi) 380 K. Dans (i), malgré une température de substrat relativement basse de 300 K, la température du fil augmente à 334 K près du centre. La température élevée est un effet du chauffage Joule, et elle persiste jusqu'à atteindre le bord du contact où la dissipation thermique est améliorée par l'électrode Au. Une fois la température du substrat portée à 365 K (ii), la température maximale du fil et la résistivité terminale atteignent respectivement 417 K et 100 μΩ-cm. Cette température correspond à la résistance maximale du fil, où les augmentations de résistance induites par la température sont compensées par l'accumulation de domaines qui sont passés à l'état FM de résistivité inférieure. Ces régions transitionnées sont observées sous forme de domaines verts et de domaines blancs dans les cartes de résistivité et d'état en (ii), et sont les plus concentrées près du milieu du fil FeRh où la température est la plus élevée. Ce comportement devient plus prononcé lorsque la température est augmentée à 392 K (iii). Les emplacements des régions de transition sont aléatoires, mais généralement situés près du centre du fil et loin des contacts métalliques, qui sont plus froids en raison de la conductivité thermique élevée. À 422 K (iv), le fil atteint son état de résistance minimum, où les augmentations de résistance induites par la température dépassent la réduction de résistance des domaines de commutation, puisque presque tous les domaines sont maintenant dans l'état FM. L'hystérésis dans le fil est clairement mise en évidence sur le cycle de refroidissement car presque tous les domaines restent dans le même état à 412 K (v), et malgré un substrat plus froid de 12 K à 380 K (vi), nous observons des cartes de résistivité et d'état qui étroitement ressemblent à celles observées lors du chauffage à 392 K (iii).

(a) Résistance représentative par rapport au balayage de température pour une densité de courant de 5 × 106 A cm−2. Les étiquettes en chiffres romains indiquent les températures spécifiques auxquelles les cartes de surface ultérieures ont été générées. Les cartes de surface ont été générées tout en balayant la température pendant un cycle de chauffage, comme indiqué par les points de données indiqués sur la courbe. (b) Un diagramme schématique du dispositif de fil FeRh comprenant une région délimitée par une ligne pointillée rouge pour indiquer la partie de l'échantillon qui est représentée dans les cartes de surface suivantes, y compris la moitié de la longueur du fil FeRh un contact métallique. (c) Les cartes de surface de la zone d'échantillonnage délimitée montrent la température, la résistivité du fil et les états de domaine FeRh individuels (AFM ou FM) pour des températures de substrat de (i) 300 K, (ii) 365 K, (iii) 392 K, (iv ) 422 K, (v) 412 K et (vi) 380 K. Pour (v) et (vi) le substrat est refroidi à partir de 500 K, tous les autres sont pour la phase de chauffage du cycle chaud/froid. L'état des domaines (AFM/FM) et la résistivité locale correspondante sont en étroite corrélation avec les profils thermiques présentés dans le fichier supplémentaire (Fig. S2).

Une polarisation pulsée permet un contrôle plus précis des effets d'auto-échauffement et établit des paramètres de fonctionnement réalistes de l'appareil tels que les vitesses de commutation. Pulsed IV a été utilisé pour analyser les effets thermiques dans une grande variété de matériaux, y compris le Si40, les semi-conducteurs à large bande interdite tels que GaN et Ga2O341,42, et les matériaux à changement de phase comme Ge3Sb2Te643. Les mesures JV pulsées illustrées à la Fig. 4a ont été effectuées à 400 K sur un dispositif FeRh d'une longueur et d'une largeur de 100 μm et 0, 3 μm, respectivement. Le profil d'impulsion, représenté schématiquement sur la figure 4a, comprend une largeur d'impulsion de 5 ms (PW), une période de 10 ms, une tension d'amplitude pulsée (Va) variée de 0 à 30 V et une tension de base (Vb) variée de 0 à 20 V Les courbes JV sont décalées pour plus de clarté visuelle lorsque Vb = 0 V et 10–20 V. Une mesure CC est incluse à des fins de comparaison. L'encart présente les données sans le décalage pour montrer comment les données s'effondrent sur une seule boucle JV. Les régions d'hystérésis des courbes JV restent fixes le long de l'axe de la tension, mais s'élargissent le long de l'axe du courant lorsque Vb est augmenté de 10 à 20 V.

Un fil FeRh a été caractérisé par JV pulsé pour rechercher des conditions de fonctionnement plus cohérentes avec les dispositifs de commutation utilisés en pratique. Les données présentées ici ont été acquises à une température ambiante de 400 K à l'aide d'un fil FeRh d'une longueur, d'une largeur et d'une épaisseur de 100 μm, 0,3 μm et 35 nm, respectivement. (a) J-Va et (b) les courbes RJ sont représentées tout en faisant varier l'amplitude de la tension de base. Mis à part le tracé en médaillon de (a), chaque courbe est décalée pour plus de clarté et les deux tracés contiennent une mesure DC à des fins de comparaison. Les données ont été recueillies à l'aide d'impulsions de polarisation d'une période de 10 ms et d'une largeur d'impulsion de 5 ms. Le graphique en médaillon en (a) contient les courbes JV mesurées sans décalage pour montrer comment elles se replient sur une seule boucle. De plus, un schéma de profil d'impulsion contenant la largeur d'impulsion (PW), la tension de base (Vb) et la tension d'amplitude (Va) est illustré en (a).

La figure 4b montre le changement de résistance avec la densité de courant (RJ), décalé pour plus de clarté. L'hystérésis dans la caractéristique RJ commence à se développer une fois que Vb > 10 V. Bien que l'hystérésis soit toujours observée dans les mesures CC, l'absence d'hystérésis pour une faible Vb pendant le fonctionnement pulsé indique que la chaleur se dissipe à une vitesse suffisamment élevée pour permettre au FeRh de refroidir et repasse en phase AFM entre chaque impulsion. Cet effet de dissipation thermique peut être manipulé en augmentant la tension de base, mise en évidence par l'évolution de l'hystérésis RJ avec la tension de polarisation. Lors de l'utilisation d'impulsions, un état FeRh FM persistant n'est atteint que lorsque l'amplitude Vb est suffisamment grande pour que la température FeRh dépasse TCr pendant le fonctionnement en veille. Sinon, la température du FeRh tombe en dessous de TCr et le FeRh passe à l'état AFM.

Les conditions de tension pulsée peuvent être ajustées pour basculer rapidement entre les états AFM et FM. Un exemple de cette méthodologie est illustré à l'aide du tracé DC-IV de la figure 5a pour le dispositif à fil FeRh (largeur = 0, 3 µm, longueur = 100 µm). Pour fonctionner comme un interrupteur, la température FeRh doit être stabilisée de sorte que la résistance se situe quelque part dans la région de transition métamagnétique. Par exemple, cela pourrait être réalisé en utilisant une polarisation de 20 V CC. Maintenant, plutôt que d'appliquer une polarisation CC constante, nous pouvons appliquer une polarisation pulsée avec une tension de base de 20 V où le FeRh se stabilise à une température dans la région de transition métamagnétique. À cette température, les domaines cristallins peuvent exister dans une phase AFM (haute résistance) ou FM (faible résistance). Le système n'a pas besoin de passer complètement à une phase AFM ou FM pure, il a juste besoin d'avoir une majorité de domaines dans la phase AFM ou FM pour produire un changement suffisant de résistance. Lorsque Va est réglé sur 20 V, les phases AFM et FM ont des résistances de 7,4 kΩ et 6,3 kΩ, respectivement. Par exemple, l'appareil peut être allumé (transition AFM-FM) en appliquant une tension pulsée de Va = 30 V puis en ramenant Va à 20 V pour maintenir l'état (flèche bleue). De même, il peut être éteint (transition FM-AFM) en appliquant une tension pulsée de Va = 5 V puis en augmentant Va à 20 V pour maintenir l'état (flèche rouge).

(a) Schéma de principe de commutation d'état de fonctionnement pulsé qui montre les amplitudes de tension pulsée nécessaires pour basculer entre les états AFM et FM. À une polarisation constante de 20 V, le FeRh peut être dans l'un ou l'autre des deux états, et il restera dans cet état en supposant qu'il est thermiquement stabilisé. La commutation entre les états peut être obtenue en appliquant une courte tension pulsée de Va = 5 V (par exemple, transition FM-AFM, ON à OFF) ou Va = 30 V (par exemple, transition AFM-FM, OFF à ON). En (b), nous démontrons cette capacité de commutation en montrant la résistance transitoire du FeRh tout en polarisant l'impulsion de l'appareil pour basculer entre les états ON et OFF en utilisant un Vb de 20 V et Va de 5 V (OFF) ou 30 V (ON) . (c) Une vitesse de commutation élevée de 311 ns a été observée lors du passage de OFF à ON. La vitesse de commutation indiquée ici était limitée par l'équipement de mesure et devrait servir de «plafond» pour la capacité de vitesse de commutation FeRh. (d) Paramètres de commutation utilisés pour calculer la consommation électrique de l'appareil, y compris Va,ON = 30 V, Vb = 20 V, Va,OFF = 5 V, Is,ON = 4,646 mA, ION = 3,155 mA, IOFF = 2,736 mA, Is ,OFF = 0,610 mA, t2–t1 = 13,045 ms, t3–t2 = 13,014 ms, t4–t3 = 12,999 ms, t6–t5 = 13,053 ms, t7–t6 = 14,753 ms et t8–t7 = 14,742 ms.

Sur la figure 5b, nous démontrons la fonctionnalité de commutation en utilisant la méthodologie décrite ci-dessus. La résistance transitoire (courbe bleue du haut) a été mesurée lors de l'application d'une forme d'onde de tension pulsée (courbe rouge du bas). Le profil d'impulsion se compose d'une tension de base de 20 V et de courtes impulsions de tension de 5 ms à 5 V ou 30 V pour basculer entre les états OFF et ON, respectivement. Tout d'abord, la tension a été augmentée de 0 à 20 V pour entrer dans la région centrale de l'hystérésis et maintenue à 20 V pendant ~ 1 s, maintenant l'état AFM. A t = 1,1 s, la tension est ensuite pulsée à Va = 30 V pendant 5 ms, provoquant une augmentation de la température du fil de sorte que la transition AFM-FM se produit et que l'appareil est allumé. Après cette impulsion de 5 ms, Va est réduite à 20 V pour maintenir la température FeRh et maintenir l'appareil à l'état ON. Ensuite, à t = 1,9 s, le dispositif est éteint en appliquant une impulsion de 5 ms de Va = 5 V, puis en revenant à Va = 20 V pour maintenir l'état. Nous constatons que ΔR/Rmin = 16,4 % lorsqu'il est commuté à l'état OFF, ce qui représente environ 3 fois plus de modulation de résistance que ce qui a été rapporté pour la commutation FeRh basée sur la contrainte7,26. L'endurance de commutation de périphérique et la rétention d'état ont également été évaluées et les résultats sont présentés à la Fig. S4.

Pour établir une limite supérieure sur la vitesse de commutation, nous avons étudié le courant transitoire mesuré pendant des impulsions de tension individuelles de 150 ns (notre instrumentation permet des impulsions transitoires uniques pour PW < 5 ms plutôt qu'une forme d'onde répétitive comme indiqué ci-dessus pour PW > 5 ms). La figure 5c montre la tension transitoire appliquée (courbe rouge) et le courant mesuré (courbe bleue) pendant les impulsions individuelles où Va et Vb étaient respectivement de 29 V et 20 V. Dans la résolution de notre mesure, l'appareil était capable de passer de OFF à ON en 311 ns. Lors de cette mesure, l'équipement a été configuré pour appliquer une impulsion de tension de 150 ns. Cependant, la tension pulsée avait des temps de montée/descente d'environ 150 ns, ce qui entraînait une largeur d'impulsion de plus de 300 ns, limitant ainsi notre capacité de mesure. Par conséquent, il s'agit d'une limite supérieure du temps de commutation, et nous nous attendons à ce que les vitesses de commutation réelles soient beaucoup plus rapides. Mesures optiques par Pressacco, et al. ont montré que la transition de phase FeRh se produit sur des échelles de temps inférieures à la picoseconde, ce qui suggère que la limite de fonctionnement des dispositifs basés sur la transition FeRh pourrait dépasser les vitesses de fonctionnement GHz, à condition qu'une dissipation thermique suffisante par le substrat34. Pour comprendre comment ce dispositif peut être optimisé, nous évaluons les pertes de commutation de puissance qui se produisent pendant la transition de phase. La consommation électrique a été calculée pour les états ON et OFF,

et aussi pendant l'allumage et l'extinction,

cycles de commutation44. Ici, Ts est la période d'impulsion de commutation, ti représente les synchronisations de la forme d'onde pulsée, ION et IOFF sont des amplitudes de courant en régime permanent, Is,ON et Is,OFF sont des amplitudes de courant de commutation résultant des tensions pulsées Va,ON et Va,OFF, respectivement. La valeur de chaque paramètre est représentée sur la figure 5d. En utilisant ces paramètres, PON, POFF, Ps,ON et Ps,OFF se sont avérés être respectivement de 63,11 mW, 54,76 mW, 57,78 mW et 23,82 mW.

Sur la base des propriétés de commutation observées dans ce travail, FeRh est comparable ou meilleur que de nombreux autres matériaux de mémoire à changement de phase candidats. Parmi ceux-ci, Ge2Sb2Te5 est le matériau de couche active le plus couramment utilisé dans les applications de mémoire à changement de phase et a rapporté des temps de lecture/écriture de 150 à 200 ns45,46. TiOx est couramment utilisé pour développer des réseaux de memristors nécessitant des architectures plus complexes car il peut fournir une faible variabilité sur la surface d'une puce47. Alibert, et al. ont fabriqué un memristor à base de TiO2 qui avait un ROFF/RON et un temps d'écriture de 10 et 200 ns, respectivement48. HfO2 est un autre matériau de couche active de memristor couramment utilisé en raison d'un ROFF/RON élevé et de pentes d'activation de plus de dix ordres de grandeur et de 1 mV/décade, respectivement49. Malgré les architectures plus complexes de ces dispositifs de mémoire, le temps d'écriture de 311 ns démontré dans ce travail est comparable en termes de performances de vitesse de commutation.

Nos dispositifs rudimentaires nécessiteront une optimisation pour maximiser ROFF/RON, minimiser la consommation d'énergie relativement élevée en régime permanent (POFF = 54,763 mW et PON = 63,105 mW) et finalement atteindre des vitesses de commutation inférieures à ns. Il existe plusieurs stratégies pour réaliser ces gains. Le rapport ROFF / RON pourrait être amplifié par incorporation dans des capteurs de type à magnétorésistance à effet tunnel, où la dépendance du mécanisme d'effet tunnel sur les propriétés magnétiques peut entraîner des changements de MR plus importants50. La puissance consommée est dominée par Vb car la forme d'onde pulsée a un rapport cyclique si petit, et la tension de base est nécessaire car elle maintient la température de l'appareil près de la transition de phase. En ajustant la largeur et le début de la température de la transition FeRh, ainsi que la géométrie du fil, la tension de base requise peut être considérablement réduite. Cela permettrait également une puissance réduite à l'état ON car une impulsion plus petite serait nécessaire pour changer d'état. La température de transition de FeRh pourrait également être ajustée à des températures plus basses en modifiant la composition de FexRh1-x pendant la croissance. Il a été montré précédemment que la température de transition peut être contrôlée sur une plage de 80 K en faisant varier la teneur en Fe de x = 0,40 à 0,49 ou par implantation d'ions He25,51,52. Cela réduirait considérablement le Vb requis et donc la consommation d'énergie statique. À titre d'exemple d'amélioration potentielle des propriétés de fonctionnement de l'appareil, dans les appareils actuels, la puissance à l'état ON pourrait être réduite d'environ 32 % à 43 mW en abaissant Vb à 15 V.

Les vitesses de commutation des dispositifs rapportés ici sont comparables à celles des memristors à filament conducteur, qui peuvent aller de millisecondes à nanosecondes et varient en fonction de l'épaisseur de la couche de milieu de commutation53,54,55. Une réduction supplémentaire de la largeur d'impulsion à la limite de vitesse de transition pourrait entraîner une commutation probabiliste, permettant des applications de ces dispositifs dans l'informatique neuromorphique. Les transistors neuromorphiques existants fonctionnent à des vitesses allant du kilohertz au mégahertz56,57,58. La vitesse de commutation du dispositif préliminaire présenté ici est donc au moins aussi rapide que l'état de la technique. La température de fonctionnement de 400 K utilisée pour la preuve de concept de l'appareil sur la Fig. 5 a été choisie pour simuler une condition de fonctionnement réaliste dans les applications informatiques. Cependant, dans les applications neuromorphiques, la température de fonctionnement idéale dans un système avancé serait probablement plus proche de 310 K59. Cela aurait l'avantage supplémentaire d'un appareil de faible puissance. De plus, le dispositif FeRh présenté ici a une fonctionnalité similaire aux transistors Mott, qui fonctionnent sur la base d'un changement de phase induit thermiquement et peuvent être commutés sur une échelle de temps inférieure à ns60,61,62. Bien que nos mesures aient toutes été effectuées sous vide, comme d'autres matériaux utilisés pour les dispositifs à changement de phase induit thermiquement, il est peu probable que FeRh subisse des effets d'oxydation dans la plage de chauffage/refroidissement mise en œuvre dans ce travail (c'est-à-dire 400 K plus la contribution de chauffage Joule). Parce qu'il n'y a pas de composés stables contenant Fe, Rh et O63, l'oxydation n'est possible que lorsque la liaison Fe-Rh est rompue. La liaison Fe-Rh a une énergie de formation de − 0,055 eV, ce qui équivaut à l'énergie fournie par une température de 638 K. Puisque les expériences réalisées dans ce travail ont été à des températures inférieures ou égales à 480 K, il est peu probable que toute décomposition Fe-Rh se produirait. De plus, sur la base de nos découvertes, il serait possible de fabriquer un dispositif FeRh non volatil capable de stocker une mémoire à courant nul qui ne peut être effacée que par refroidissement.

Nos résultats complets établissent la faisabilité de l'utilisation de la transition métamagnétique dans FeRh comme base d'un changement de phase très rapide dans les futures applications informatiques. Le chauffage Joule des dispositifs à fil FeRh a été démontré et les dépendances géométriques sur la transition de phase métamagnétique AFM-FM ont été étudiées. Des simulations COMSOL® et des mesures IV pulsées ont été utilisées pour évaluer la mécanique thermique sous-jacente présente lors de la transition AFM-FM. Nous avons démontré une capacité de commutation résistive métamagnétique avec une vitesse de commutation d'au moins 311 ns. Les travaux futurs sur les dispositifs de commutation FeRh devraient aborder le réglage critique de la température grâce à la croissance, de sorte que TCr soit proche de la température ambiante, car cela augmenterait considérablement l'efficacité du dispositif.

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Les auteurs remercient l'aide essentielle du personnel de soutien du LPS, notamment G. Latini, J. Wood, R. Brun, P. Davis et D. Crouse.

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Steven P. Bennett

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ALF a proposé l'expérience. ALF, GMS, ATH et SPB ont formulé l'étude, rejoints plus tard par NAB SPB a développé le FeRh et analysé les films de FeRh. ALF a conçu les appareils. SWL et SPB ont fabriqué les appareils. SWL a créé les images conceptuelles. NAB et GMS ont mesuré les appareils et analysé les données avec la contribution de l'ATH et de l'ALFCDC, ont effectué la modélisation et l'analyse COMSOL® et ont comparé les données expérimentales à la modélisation avec la contribution de NAB, GMS, ALF, ATH et SPBNAB ont écrit le manuscrit avec l'aide du CDC. pour les sections de modélisation. Tous les auteurs ont discuté des données et de l'analyse et ont contribué à l'édition du manuscrit.

Correspondance à Nicholas A. Blumenschein ou Adam L. Friedman.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Blumenschein, NA, Stephen, GM, Cress, CD et al. Commutation métamagnétique à grande vitesse de FeRh par chauffage Joule. Sci Rep 12, 22061 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26587-z

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Reçu : 03 août 2022

Accepté : 16 décembre 2022

Publié: 21 décembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-26587-z

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