Bekanntgabe der Gewinner des Stanford Advanced Materials College Scholarship 2025

Wir freuen uns, Ihnen mitteilen zu können, dass die Empfängerin des Stanford Advanced Materials College Scholarship 2025 ist:

Brahmdutta Dixit
Universität von Minnesota Twin Cities
Abteilung für Elektro- und Computertechnik, Doktorandin im dritten Jahr

In seiner Forschung schlägt Dixit ein neues Design auf der Grundlage von Wolfram, Tantal und Niob vor, das eine Methode zur Verbesserung der Effizienz von SOT-Halbleiterbauelementen (Spin-Orbit-Torque) und zur Verringerung der kritischen Stromdichte bietet. Seine Arbeit liefert wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung künftiger hochleistungsfähiger elektronischer Bauelemente mit geringem Stromverbrauch.

Das Stanford Advanced Materials College Scholarship zeichnet herausragende junge Wissenschaftler aus, die außergewöhnliche Innovationen und intellektuelle Fähigkeiten in der Materialforschung und -anwendung bewiesen haben. Wir gratulieren Brahmdutta Dixit ganz herzlich zu dieser Leistung und sprechen gleichzeitig allen Bewerbern unseren aufrichtigen Dank aus. Dank der enthusiastischen Teilnahme so vieler angesehener Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wurde das Auswahlverfahren selbst zu einem akademischen Austausch auf hohem Niveau, der einen Blick in die spannende Zukunft der Materialwissenschaft ermöglicht.

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Gewonnenes Projekt:

Original-Einreichung des Gewinners: Brahmdutta_Dixit_Stanford_Advanced_Materials_Scholarship_2025_Submission.pdf

Seltene-Metall-Spintronik: Ni₄W zu TaIrTe₄/NbIrTe₄ LowSymmetry-Plattformen für deterministische MRAM

Zusammenfassung:

Die Spintronik ist ein faszinierendes, physikalisch reichhaltiges Gebiet, das über die Kontrolle von Ladungen hinausgeht, um Daten zu speichern. Sie macht sich den Spin des Elektrons zunutze, um nichtflüchtige Speicher (NVMs) mit hoher Lebensdauer, geringer Energie und niedriger Latenz zu entwickeln. Unter den verschiedenen MRAM-Generationen und Schaltmechanismen [1], die in Abbildung 1 dargestellt sind, gibt es zwei Hauptklassen von magnetischen Direktzugriffsspeichern (MRAM), die von der Industrie eingesetzt werden: Spin-Transfer-Torque (STT) und Spin-Orbit-Torque (SOT). STT-MRAM hat in der Vergangenheit unter einer begrenzten Lebensdauer und höheren Bitfehlerraten gelitten, da es denselben Pfad zum Lesen und Schreiben verwendet. Im Gegensatz dazu werden diese Probleme bei SOT-MRAM durch die Trennung von Lese- und Schreibpfad entschärft. In SOT-MRAM gibt es einen Schwermetallkanal, um Spin-Orbit-Kopplung (SOC) zu erzeugen. SOT-Bauteile mit seltenen Metallen versprechen ultraniedrige Energie, feldfreies magnetisches Schalten für NVM der nächsten Generation und probabilistische/AI-Hardware.

Meine aktuelle Arbeit konzentriert sich auf verschiedene Schwermetalle mit niedriger Symmetrie wieNi4W, PtW (Legierung) und seltene Halbmetallchalcogenide mit niedriger Symmetrie wie TaIrTe₄ und NbIrTe₄. Ihr hoher SOC, ihre großen Arbeitsfunktionen und ihre reichhaltige Grenzflächenchemie tragen zum deterministischen Schalten von SOT-MRAM bei.

Abbildung 1: (a) MRAM-Generationenlandschaft: Toggle-, STT-, thermisch unterstützte, SOT- und optisch unterstützte Architekturen. (b) Entsprechende dynamische Bereiche: fs-ps (ultraschnelle Entmagnetisierung, Spinrelaxation, kohärente Präzession), ps-ns (Spinmomente), ns-µs (Domänenwanddynamik und STT) und darüber hinaus (thermische Effekte und magnetische Retention) [1].

Darauf aufbauend haben wir mit Hilfe des industriekompatiblen Magnetron-Sputterns hochwertige epitaktische Ni₄W-Dünnschichten erzeugt und einen hohen SOT-Wirkungsgrad von 0,73 erzielt, der kürzlich in der Zeitschrift Advanced Materialsveröffentlicht wurde. In Erweiterung dessen zielen wir nun auf die Abstimmung des Fermi-Niveaus in Ni₄W durch Kontrolle der Wolfram-Stöchiometrie und Kobalt-Dotierung in Ni4W ab, um die elektronischen Zustände mit den Spitzen der Spin-Hall-Leitfähigkeit (SHC) abzugleichen und dadurch die SOT-Effizienz zu verbessern und die kritische Stromdichte zu verringern. Parallel dazu stelle ich 2D-Hall-Bar-Bauelemente auf der Basis von exfolierten TaIrTe₄- und NbIrTe₄-Flocken her, um die ihnen innewohnende niedrige Symmetrie für unkonventionelle Spinpolarisation und gate-kontrollierbare Schaltvorgänge zu nutzen.

Artikel

Seltene Metalle wie Wolfram (W), Tantal (Ta) und Niob (Nb) stellen die derzeit vielversprechendsten SOT-MRAMs auf Spintronikbasis dar. Wenn sie neben einem ultradünnen Ferromagneten wie Permalloy (Py) und CoFeB platziert werden, wandeln diese schweren Elemente durch eine starke SOC Ladungsströme in transversale Spinströme um. Die polarisierten injizierten Spins können den Zustand des Magneten ändern; dies ist die Grundlage des SOT-Speichers. Im Vergleich zu konventionellen CMOS-basierten NVMs wie NAND-Flash bieten SOT-Bauteile Nicht-Volatilität, Schreibvorgänge im Nanosekundenbereich und ultraniedrige Energie pro Bit, was sie für Cache-ähnliche MRAMs, Edge-KI-Beschleuniger und probabilistisches In-Memory-Computing attraktiv macht.

Zwei Hauptprobleme haben den breiten Einsatz von SOT-MRAM eingeschränkt: (1) die kritische Stromdichte (Jc), die für schnelles Schalten erforderlich ist, und (2) das erforderliche externe Magnetfeld, um die Symmetrie in Geräten mit senkrechter magnetischer Anisotropie (PMA) zu brechen. In diesem Artikel versuche ich zu erklären, wie Ni₄W und Weyl-Semimetalle mit niedriger Symmetrie (TaIrTe₄ und NbIrTe₄) die oben genannten Probleme direkt angehen, und skizziere einen experimentellen Fahrplan für mehrere Projekte, an denen ich derzeit arbeite. Abschließend werde ich darüber sprechen, wie meine Forschung eine Brücke schlägt und das gesamte Spektrum von der Materialwissenschaft bis zur Herstellung von Bauelementen und deren Anwendung in der Industrie abdeckt.

1) Ni₄W-basierte SOT-Quelle mit eingebauter Symmetriebrechung:

In unserer jüngsten Studie, die in Abbildung 2 (auf der Titelseite des Advanced Materials Journal) [2,3] dargestellt ist , haben wir festgestellt, dass Ni₄W ein wolframreiches Intermetall ist. Seine niedrigsymmetrischen Kristallorientierungen unterstützen die multidirektionale Spinakkumulation, die bei korrekter Kopplung ein feldfreies Schalten von senkrechten magnetischen Tunnelübergängen (p-MTJs) ermöglicht. In der Praxis bedeutet dies, dass wir auf Permanentmagnete oder externe Feldspulen verzichten können, was für Fläche, Zuverlässigkeit und Leistung entscheidend ist.

Über die Symmetrie hinaus kann Ni₄W einen hohen SOT-Wirkungsgrad von 0,73 erreichen. Die Gütezahl, der effektive Spin-Hall-Winkel oder die dämpfungsähnliche Drehmomenteffizienz, hängt empfindlich von den elektronischen Zuständen um das Fermi-Niveau (EF)ab. Spitzen in der Spin-Berry-Krümmung und "Hot Spots" in der Bandstruktur können die Umwandlung von Ladung in Spin verstärken.

Abbildung 2: Schematische Darstellung von Ni₄W(211)/CoFeB, mit Hervorhebung der in mehrere Richtungen orientierten Spins. (b) Strukturelle Darstellung des tetragonalen Ni₄W-Kristalls. (c) XRD θ-2θ-Scan für Al2O3(0001)/W (2 nm)/Ni4W (30 nm)/CoFeB (5 nm)/cap. Inset: Schaukelkurve der Ni4W(211)-Reflexion (FWHM = 0,084°). (d) Vergleich der konventionellen (in-plane) und out-of-plane Spin-Hall-Winkel von Ni₄W mit führenden SOT-Materialien. (e) Karte des reziproken Raums desselben Stapels, aufgetragen in Saphirkoordinaten [2].

2) Abstimmung des Fermi-Niveaus mit W-Stöchiometrie und Co-Dotierung:

Derzeit stimme ich dieEF in Ni₄W systematisch ab, indem ich den Wolframgehalt durch Lochdotierung anpasse und eine leichte Co-Dotierung mit Kobalt (Co) einführe.

Abbildung 3: Spin-Hall-Winkel für Ni₄W(211). Grün, gelb und blau zeigen θY, θZ und θX; durchgezogene und gestrichelte Kurven bezeichnen zwei orthogonale Stromrichtungen. Die rote gestrichelte Linie zeigt den höchsten SHA-Wert an, der für dieses spezifische Fermi-Niveau erreicht werden kann [2].

Wie in Abbildung 3 dargestellt, besteht das Ziel darin,EF auf das Maximum in SHC (rote gestrichelte Linie)auszurichten, was (a) die Effizienz des dämpfenden Drehmoments erhöhen sollte (Erhöhung des an den Ferromagneten gelieferten Spinstroms). (b) den Jc-Wertfür das Schalten im Nanosekundentakt senken. (c) Beibehaltung des niedrigen spezifischen Widerstands und der thermischen Stabilität, die für eine enge Back-End-of-Line-Integration (BEOL) erforderlich sind. Wie derzeit Globalfoundries hat STT-MRAM auf 22nm FDX und 28nm HKMG CMOS-Plattform zwischen M4-M5 Metalllinie von BEOL.

3) Mein Ansatz für Ni4W-Legierung und Co-dotierte SOT-Studie:

Ich scheide Ni₄W (211) auf Saphir-Substraten durch DC-Magnetron-Sputtern ab und wähle die Orientierungen, die zur Maximierung der unkonventionellen Spin-Komponenten angegeben wurden. XRD/Rocking-Curve und reciprocal-space mapping gewährleisten die gewünschte Textur, während AFM und TEM die Qualität der Grenzflächen bewerten. Außerdem führe ich UPS/XPS durch, um die Arbeitsfunktion und die Zusammensetzung von Ni, W und Co in gesputterten Dünnschichten zu überwachen. Dann sputtere ich eine ferromagnetische Schicht wie Py und CFB, für die SOT-Messung führe ich die Hall-Sekundärharmonische und Spin-Torque-FMR durch und extrahiere dämpfungsähnliche/feldähnliche Komponenten. Außerdem quantifiziere ich mit Hall-Balken und p-MTJs die Schaltwahrscheinlichkeit im Vergleich zur Pulsbreite, die Skalierung der Energieverzögerung und die Retention.

4) SOT-Studie der Weyl-Halbmetalle mit niedriger Symmetrie TaIrTe₄ und NbIrTe₄:

Wie in Abbildung 4 zu sehen ist, haben die auf den seltenen Metallen Ta und Nb basierenden Legierungen wie TaIrTe₄ und NbIrTe₄, geschichtete Halbmetalle, von Natur aus eine niedrige kristalline Symmetrie. Diese geringe Symmetrie ermöglicht unkonventionelle Spinpolarisationen (einschließlich OOP z-Spin) bei Stromfluss in der Ebene. Dies hilft beim feldfreien Schalten ohne zusätzliche symmetriebrechende Schichten.

Abbildung 4: (a) Kristallstruktur der Weyl-Halbmetalle TaIrTe4 und NbIrTe4. (b) XRD-Daten von TaIrTe4 aus einem Co-basierten Röntgengerät. (c), (d) Mikroskopisches Bild eines gemusterten Hallbarren-Bauelements aus einem TaIrTe4/Py/Ru-Stapel vor dem Ätzen bzw. nach dem Ätzen.

Ich schäle TaIrTe₄- und NbIrTe₄-Flocken mechanisch aus Einkristallen auf isolierende, vorstrukturierteSi/SiO2-Substrate, sputtere eine ferromagnetische Py- oder CoFeB-Schicht auf und strukturiere sie mittels Elektronenstrahllithographie zu Hallbarren; der vollständige Prozessablauf ist in Abbildung 5 dargestellt. Mit diesen Hall-Bar-Bauteilen führe ich die zweite Hall-Harmonisierung durch, messe das unidirektionale Spin-Magnetwiderstands-Signal (USMR) und untersuche die elektrostatische Ansteuerung (HfO₂/Al₂O₃-Dielektrika) zur Modulation der volumenkontrollierten magnetischen Anisotropie und der elektrischen Feldwirkung.

Abbildung 5: Prozessablauf der Herstellung von Hallbarren aus TaIrTe/Py/Ru-Stapelbauelementen für Messungen der zweiten Harmonischen und USMR.

5) Integration von Spannungssteuerungseffekten wie der spannungsgesteuerten magnetischen Anisotropie:

In unserer jüngsten Studie [4] haben wir, wie in Abbildung 6 dargestellt, gezeigt, dass die Abstimmung der Unterschicht-Arbeitsfunktion unterhalb von CoFeB/MgO die VCMA deutlich verstärken kann. In W/PtxW1-x/CoFeB/MgO-Stapeln erhöht ein steigender Pt-Gehalt die Arbeitsfunktion des Metalls und entzieht der CoFeB/MgO-Grenzfläche im Gleichgewicht Elektronen, was die Reaktion des elektrischen Feldes auf die Grenzflächenanisotropie verstärkt. UPS und XPS bestätigen die Verschiebung der Arbeitsfunktion und den Ladungstransfer an der Grenzfläche. Durch Abstimmung des Pt-Gehalts erreichten wir einen VCMA-Koeffizienten, der bis zu 8-mal größer ist als bei einer reinen W-Kontrolle, wobei die beste Leistung beiPt77W23 erreicht wurde.

6) Anwendungen und Auswirkungen:

Meine Projekte zu neuartigen niedrigsymmetrischen Materialien wieNi4W, TaIrTe4und NbIrTe4werden der Industrie helfen, SOT-MRAM für Caches und eingebettete Speicher anzupassen. Feldfreie Stapel auf der Grundlage dieser seltenen Metalle entfernen externe Felder und vereinfachen die Peripherieschaltungen. Bei optimierter Dotierung und Kristallsymmetrie kann die Energie pro Bit den Femtojoule-Bereich erreichen, was direkt zur Senkung des Stromverbrauchs in Rechenzentren beiträgt.

Abbildung 6: (a) Querschnittsschema des Gated Hall-Bar-Bauelements. (b) Energielevel-Ausrichtung für CoFeB im flachen Bandlimit, wenn es mit W, Pt₇₇W₂₃ oder Pt gepaart ist, und Schema der Elektronenverarmung von CoFeB/MgO in eine PtₓW₁₋ₓ-Unterschicht mit hoher Arbeitsfunktion im thermischen Gleichgewicht. (c) Verteilungsdiagramme (Boxplots) von Ki und VCMA für verschiedene PtxW1-x-Legierungen, die als Unterschicht verwendet werden [4].

Diese neuartigen SOT-MRAM-Bauelemente können auch für probabilistische und speicherinterne Berechnungen verwendet werden. Durch die Steuerung der Schaltwahrscheinlichkeit über die Impulsbreite und die Gatespannung fungieren diese MRAM-Bausteine als p-Bits oder gewichtete Sampler, die in der Optimierung und in generativen KI-Beschleunigern von Nutzen sind.

CMOS-basierte NVMs haben Probleme mit der Strahlung bei Weltraumforschungsaktivitäten. SOT-MRAM bietet einen Weg zu sicherer und strahlungsbeständiger Elektronik. Magnetische Bits widerstehen weichen Fehlern; Stacks auf der Basis seltener Metalle sind temperatur- und strahlungsbeständig, was für die Raumfahrt wichtig ist.

Durch diese Forschungsstudien können wir die folgenden Ergebnisse erwarten (i) eine Dotierstoff-/Stöchiometriekarte zur Maximierung der SOT in Ni₄W, (ii) feldfreies Schalten in exfolierten Halbedelsteinen mit geringer Symmetrie und (iii) Integrationswege für zuverlässige, herstellbare SOT-MRAM und stochastisches Rechnen. Im weiteren Sinne zeigt das Projekt auf, wie seltene Metalle (W, Ta, Nb) auf der Ebene der Bandstruktur entwickelt werden können, um nachhaltige, hochwirksame Elektronik zu schaffen und sowohl die grundlegende Spintronik als auch praktische Speichertechnologien voranzubringen.

Lebenslauf

Brahmdutta Dixit ist Doktorandim dritten Jahr seiner Promotion im Nano Magnetism & Quantum Spintronics Lab an der University of Minnesota Twin-Cities, Minnesota, USA. Er verfügt über sechs Jahre Erfahrung in Industrie und Wissenschaft in den Bereichen Gerätephysik, Materialwissenschaft und Spintronik. Seine aktuelle Arbeit konzentriert sich auf die Spintronik mit seltenen Metallen: epitaktisches Ni₄W als multidirektionale SOT-Quelle; Abstimmung des Fermi-Niveaus durch W-Stöchiometrie und Co-Dotierung zur Verbesserung der Drehmomenteffizienz und Verringerung des Schreibstroms; und exfolierte TaIrTe₄/NbIrTe₄-Hallbar-Bauelemente für feldfreies Schalten. Er integriert Dünnschichtwachstum mit XRD/UPS/XPS, ST-FMR, zweiter harmonischer Hall, AHE/USMR und entwirft SOT mit spannungsgesteuerter magnetischer Anisotropie (VCMA) und spannungsgesteuerter Austauschkopplung (VCEC) für MRAM-Betrieb mit wenigen fJ. Zuvor war er als Device/Integration Engineer bei GlobalFoundries (Ertrags- und Prozessverbesserungen bei 14 nm FinFET, 28 nm HKMG und 40 nm NVM) und als Advanced Technology Validation Intern bei Advanced Micro. Devices (AMD) (Methodik- und Ausbeutekorrelation bei Spitzenknoten wie 3nm und 5nm FinFET). Zuvor arbeitete er an der Universität Würzburg an MBE-gewachsenen HgTe/CdHgTe/Py 3D Topologie-Isolator-Stapeln. Als B.Tech-Goldmedaillengewinner der Universität Mizoram ist er Mitautor von Veröffentlichungen in Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Physics Reports und ACS Nano.

Referenzen:

[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. (Titelseite)

[4] Chen, Yu-Chia, Thomas Peterson, Qi Jia, Yifei Yang, Shuang Liang, Brandon R. Zink, Yu Han Huang, Deyuan Lyu, Brahmdutta Dixit, und 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". ACS nano 19, no. 16 (2025): 15953-15962. (IF: 16.0)