RU2677564C1

RU2677564C1 - Device for recording of information for magnetoresistive ram

Info

Publication number: RU2677564C1
Application number: RU2017138165A
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Шикин; Анна Алексеевна Рыбкина; Артем Геннадиевич Рыбкин; Илья Игоревич Климовских; Пётр Николаевич Скирдков
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2019-01-17
Also published as: EA201700574A1; EA034307B1

Abstract

FIELD: computer engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of spintronics and computer technology and is intended for use in random access memory devices. Device for recording information for magnetoresistive RAM includes a magnetic layer with magnetization in its plane, which is made in the form of a parallelepiped and connected to a nonmagnetic layer made in the form of a parallelepiped, whose width is comparable with the width of the magnetic layer, and its length is 2-3 times greater than the length of the magnetic layer, and the insulating substrate on which the nonmagnetic layer is located, between the magnetic layer and the nonmagnetic layer there is an ultrathin layer of platinum 0.2–0.5 nm thick, comparable in shape and size to the magnetic layer, the nonmagnetic layer is made of two layers, one of which is made of graphene and is located in contact with an ultrathin layer of platinum, and the second is made of a monolayer of gold and is located between a layer made of graphene and an insulating substrate.EFFECT: technical result is to increase the speed of the device.1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области спинтроники и компьютерных технологий и предназначено для использования в оперативных запоминающих устройствах.The invention relates to the field of spintronics and computer technology and is intended for use in random access memory.

Современное развитие вычислительной техники предъявляет высокие требования к минитюризации (уменьшению размеров) создаваемых устройств памяти, их быстродействию и энергоэффективности.The modern development of computer technology places high demands on the miniaturization (downsizing) of the created memory devices, their speed and energy efficiency.

Магниторезистивная оперативная память (MRAM) имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с другими широко используемыми типами памяти в современных компьютерах (DRAM, FLASH, SRAM). Важнейшим преимуществом MRAM является энергонезависимость элементов такой памяти, т.к. для хранения информации используется не электрический заряд, а магнитное состояние вещества. Кроме того, магниторезистивная память обладает лучшими характеристиками быстродействия, чем DRAM или FLASH. Работа ячейки магниторезистивной оперативной памяти основана на эффекте туннельного магнетосопротивления при протекании тока между двумя слоями ферромагнетика, разделенных тонким слоем диэлектрика. Магниторезистивная оперативная память состоит из двух ферромагнитных слоев (здесь и далее - фиксированный и свободный магнитные слои), разделенных тонким диэлектрическим туннельным барьером. Фиксированный ферромагнитный слой имеет фиксированную намагниченность, а свободный (запоминающий) слой может менять намагниченность. Взаимная ориентация намагниченности фиксированного и свободного слоя позволяет изменять сопротивление туннельного перехода. При параллельной ориентации намагниченности в фиксированном и свободном слоях электроны могут туннелировать через немагнитный барьер, понижая тем самым электрическое сопротивление перпендикулярного магнитного туннельного перехода. При антипараллельной ориентации намагниченностей - сопротивление резко возрастает. Измеряя величину электрического сопротивления ячейки, можно считать записанную информацию. Запись информации в ячейку MRAM происходит изменением ориентации намагниченности свободного слоя. Осуществить это возможно различными способами. Обычно используются две линии записи, по которым пропускают электрический ток для создания магнитного поля в области ячейки, под действием которого изменяется направление намагниченности свободного слоя. Однако этот способ требует потребления достаточной мощности и использование внешнего магнитного поля в области ячейки MRAM доставляет технические сложности при конструировании устройств памяти и уменьшении размеров ячейки или увеличения плотности их размещения. Более эффективным способом записи информации в ячейку магниторезистивной оперативной памяти является использование технологии передачи спинового момента (spin-transfer torque effect, STT). Эта активно развиваемая перспективная технология позволяет решить проблемы, с которыми сталкивается MRAM. Магниторезистивная оперативная память с переносом спинового момента (STT-MRAM) позволяет создавать ячейки энергонезависимой оперативной памяти с улучшенными характеристиками энергоэффектвиности и быстродействия и на нанометровом масштабе. Для этого для изменения магнитного состояния свободного слоя в запоминающей ячейке памяти применяется не внешнее магнитное поле, а перенос спинового момента. Поэтому поиск способа управления магнитным состоянием материала через передачу спина электрона - является актуальной задачей в настоящее время. Устройства, позволяющие манипулировать спин-поляризованными электронами, могут быть использованы в качестве элементов памяти и логических устройств в компьютерных технологиях и перспективных квантовых компьютерах.Magnetoresistive random access memory (MRAM) has a number of undeniable advantages compared to other widely used types of memory in modern computers (DRAM, FLASH, SRAM). The most important advantage of MRAM is the non-volatility of the elements of such memory, because not information is used to store information, but the magnetic state of the substance. In addition, magnetoresistive memory has better performance characteristics than DRAM or FLASH. The operation of the magnetoresistive random access memory cell is based on the effect of tunnel magnetoresistance during the flow of current between two layers of a ferromagnet separated by a thin layer of dielectric. Magnetoresistive random access memory consists of two ferromagnetic layers (hereinafter - fixed and free magnetic layers), separated by a thin dielectric tunnel barrier. A fixed ferromagnetic layer has a fixed magnetization, and a free (storage) layer can change the magnetization. The mutual orientation of the magnetization of the fixed and free layer allows you to change the resistance of the tunnel junction. With a parallel orientation of the magnetization in the fixed and free layers, electrons can tunnel through a non-magnetic barrier, thereby lowering the electrical resistance of the perpendicular magnetic tunnel junction. With the antiparallel orientation of the magnetization, the resistance increases sharply. By measuring the electrical resistance of the cell, the recorded information can be read. Information is recorded in the MRAM cell by changing the orientation of the magnetization of the free layer. This can be done in various ways. Usually, two recording lines are used along which an electric current is passed to create a magnetic field in the cell region, under the influence of which the direction of magnetization of the free layer changes. However, this method requires the consumption of sufficient power and the use of an external magnetic field in the area of the MRAM cell causes technical difficulties when designing memory devices and reducing the size of the cell or increasing the density of their placement. A more efficient way to write information to a magnetoresistive random access memory cell is to use the spin-transfer torque effect (STT) technology. This rapidly developing and promising technology solves the problems MRAM faces. Spin moment transfer magnetoresistive random access memory (STT-MRAM) allows you to create non-volatile random access memory cells with improved energy-efficiency and speed characteristics on a nanometer scale. For this, to change the magnetic state of the free layer in the memory cell, not an external magnetic field is used, but the transfer of the spin moment. Therefore, the search for a way to control the magnetic state of the material through electron spin transfer is an urgent task at the present time. Devices that allow the manipulation of spin-polarized electrons can be used as memory elements and logical devices in computer technologies and promising quantum computers.

Существует три вида конфигурации ячейки STT-MRAM, в зависимости от ориентации намагниченности в свободном и фиксированном слоях: намагниченность в плоскости слоя, перпендикулярно плоскости и смешанный тип. В ряде патентов [1, 2] рассматривается конфигурация ячейки STT-MRAM, когда электрический ток пропускается перпендикулярно структуре, состоящей из двух магнитных слоев, разделенных диэлектрическим туннельным барьером. Изолирующий слой обычно состоит и оксида алюминия (AlO_x) или оксида магния (MgO). Однако данная конфигурация обладает недостатками. Вследствие того, что ток пропускается через всю структуру магнитного туннельного перехода, зачастую для закрепления намагниченности фиксированного слоя необходимо дополнительно размещать контакт с антиферромагнитным слоем, что усложняет и удорожает конструкцию устройства.There are three types of configuration of the STT-MRAM cell, depending on the orientation of the magnetization in the free and fixed layers: magnetization in the plane of the layer, perpendicular to the plane and mixed type. A number of patents [1, 2] discuss the configuration of the STT-MRAM cell when electric current is passed perpendicular to the structure consisting of two magnetic layers separated by a dielectric tunnel barrier. The insulating layer usually consists of alumina (AlO _x ) or magnesium oxide (MgO). However, this configuration has disadvantages. Due to the fact that the current is passed through the entire structure of the magnetic tunnel junction, often to fix the magnetization of a fixed layer, it is necessary to additionally place contact with the antiferromagnetic layer, which complicates and increases the cost of the device design.

Кроме того, процесс записи и процесс считывания происходят через всю структуру магнитного туннельного перехода, что затрудняет оптимизацию этих процессов по отдельности. При этом существенным преимуществом in-plane (намагниченность в плоскости) конфигурации ячейки STT-MRAM является то, что в тонких пленках материалов требуется приложить меньший электрический ток, чтобы ориентировать спины электронов в плоскости пленки (слоя), нежели перпендикулярно плоскости.In addition, the recording process and the reading process occur through the entire structure of the magnetic tunnel junction, which makes it difficult to optimize these processes separately. In this case, a significant advantage of the in-plane (magnetization in the plane) configuration of the STT-MRAM cell is that a smaller electric current is required in thin films of materials to orient the spins of electrons in the plane of the film (layer) rather than perpendicular to the plane.

Известно техническое решение [3], в котором предложено использовать спиновый эффект Холла для генерации спиновых токов в немагнитном материале (изготовленного в виде проволоки) и предлагается дальнейшая передача спинового момента посредством спин-торк эффекта в ячейку магниторезистивной оперативной памяти. Таким образом, в данном устройстве, используется спиновый эффект Холла для генерации спиновых токов. В качестве немагнитного материала, используемого для генерации спиновых токов, предлагаются соединения или сплавы, характеризующиеся большими углами спинового эффекта Холла, и материалы из элементов с большим атомным номером (платина, тантал, вольфрам, висмут или сплавы на основе этих элементов). Общими с заявленным устройством признаками является использование немагнитных материалов для генерации спиновых токов в ячейке магниторезистивной оперативной памяти. Недостатком данного устройства является также перпендикулярная намагниченность слоев и пропускание тока через всю структуру магнитной ячейки.A technical solution is known [3], in which it is proposed to use the spin Hall effect to generate spin currents in a non-magnetic material (made in the form of a wire), and further transfer of the spin moment by means of the spin-torc effect to the magnetoresistive random access memory cell is proposed. Thus, in this device, the spin Hall effect is used to generate spin currents. Compounds or alloys characterized by large angles of the spin Hall effect and materials from elements with a large atomic number (platinum, tantalum, tungsten, bismuth, or alloys based on these elements) are proposed as non-magnetic material used to generate spin currents. Common with the claimed device features is the use of non-magnetic materials for generating spin currents in a magnetoresistive random access memory cell. The disadvantage of this device is also the perpendicular magnetization of the layers and the transmission of current through the entire structure of the magnetic cell.

Предпосылками к разработке известных технических решений были научные публикации [4-5], в которых впервые была предложена и доказана идея генерации спин-поляризованных токов в топологических изоляторах и тонких слоях Pt при пропускании электрического тока, и было показано, что в результате спин-торк эффекта наблюдаются эффекты индуцированной намагниченности в ферромагнитных слоях на поверхности топологического изолятора или тонких слоев Pt. Вследствие спин-орбитального торк эффекта происходит передача спинового момента из нижележащего слоя топологического изолятора или тонкого слоя Pt в ферромагнитный слой. В качестве ферромагнитного слоя обычно используются слои Fe, Ni, Со или пермаллоя. Между топологическим изолятором и ферромагнитным слоем обычно вводился тонкий слой MgO или AlO_x, который предотвращает искажение электронной и спиновой структуры Дираковского конуса топологических состояний, используемых для создания спиновых токов. Кроме того, известны работы, показывающие высокую эффективность спин-орбитального торк эффекта и передачи спинового момента именно при использовании контакта Pt и ферромагнитного материала (Со).The prerequisites for the development of well-known technical solutions were scientific publications [4-5], in which the idea of generating spin-polarized currents in topological insulators and thin Pt layers by passing an electric current was first proposed and proved, and it was shown that the result was a spin-torc Of the effect, the effects of induced magnetization are observed in ferromagnetic layers on the surface of a topological insulator or thin Pt layers. Due to the spin-orbit torc effect, the spin moment is transferred from the underlying layer of the topological insulator or a thin Pt layer to the ferromagnetic layer. As a ferromagnetic layer, layers of Fe, Ni, Co or permalloy are usually used. A thin MgO or AlO _x layer is usually introduced between the topological insulator and the ferromagnetic layer, which prevents distortion of the electronic and spin structures of the Dirac cone of topological states used to create spin currents. In addition, works are known that show the high efficiency of the spin-orbit torc effect and the transfer of the spin moment precisely when using the contact of Pt and a ferromagnetic material (Co).

Общими с заявленными в научных публикациях устройствами является использование спин-орбитального торк эффекта для передачи спинового момента при записи информации в запоминающую ячейку. Отличительными признаками является использование графена с большим спин-орбитальным взаимодействием и уникальными транспортными характеристиками для генерации спиновых токов.Common with the devices declared in scientific publications is the use of the spin-orbit torc effect for transmitting the spin moment when recording information in a storage cell. Distinctive features are the use of graphene with a large spin-orbit interaction and unique transport characteristics for generating spin currents.

Наиболее близким техническим решением к заявленному устройству является техническое решение [6], описывающее магнитный записывающий элемент памяти, состоящий из набора слоев: центральный магнитный слой, размещенный между двумя внешними немагнитными слоями, причем оба внешних немагнитных слоя выполнены из различных материалов. В том же техническом решении предложена реализация ячейки магнитной памяти типа STT-MRAM с использованием предложенного магнитного записывающего элемента. В этом случае устройство будет состоять из элемента записи (центральный магнитный слой, размещенный между двумя внешними немагнитными слоями) на изолирующей подложке и размещенный над элементом записи - элемент считывания информации, состоящий из второго магнитного слоя и верхнего слоя, играющего роль верхнего электрода, который может состоять из одного или нескольких проводящих слоев (магнитных или немагнитных). Преимуществом такого изобретения является то, что запись и считывание информации происходят независимо и эти процессы оптимизированы отдельно. Т.е. используется in-plane конфигурация ячейки магнитной памяти, кода ориентация намагниченности свободного и фиксированного слоя ориентирована в плоскости слоя.The closest technical solution to the claimed device is a technical solution [6], which describes a magnetic recording memory element, consisting of a set of layers: a central magnetic layer located between two external non-magnetic layers, both external non-magnetic layers made of different materials. In the same technical solution, an implementation of an STT-MRAM magnetic memory cell using the proposed magnetic recording element is proposed. In this case, the device will consist of a recording element (a central magnetic layer placed between two external non-magnetic layers) on an insulating substrate and placed above the recording element - an information reading element consisting of a second magnetic layer and an upper layer playing the role of an upper electrode, which can consist of one or more conductive layers (magnetic or non-magnetic). An advantage of such an invention is that the recording and reading of information occurs independently and these processes are optimized separately. Those. The in-plane configuration of the magnetic memory cell is used, the code orientation of the magnetization of the free and fixed layer is oriented in the plane of the layer.

Общими с заявленным устройством признаками является то, что в устройстве используется аналогичная последовательность слоев для записи и считывания информации в магнитной ячейке памяти. Также в описании изобретения указано, что в качестве нижнего немагнитного слоя под центральным магнитным слоем могут использоваться немагнитные металлы (Pt, Pd, Cu, Au, Bi, Ir, Ru, W, …), сплавы этих металлов, органические и неорганические полупроводниковые соединения (GaAs, Si, Ge), полупроводниковые соединения типа SiC или графен, размещенный при необходимости на подложках Ir, Ru, Ni. Материал графен действительно может быть успешно использован в качестве немагнитного слоя под центральным магнитным слоем в магнитном записывающем элементе. Благодаря уникальным транспортным характеристикам и физико-химическим свойствам графена возможно достичь увеличения быстродействия процесса записи и уменьшить энергопотребление элемента записи. Кроме того, благодаря аномально большому спин-орбитальному взаимодействию в графене, обнаруженному при контакте с некоторыми тяжелыми металлами (Au, Pt, Ir), увеличивается эффективность генерации спин-поляризованных токов в элементе записи, что также приводит к меньшему потреблению мощности и увеличению эффективности работы устройства.Common with the claimed device features is that the device uses a similar sequence of layers for writing and reading information in a magnetic memory cell. Also, in the description of the invention it is indicated that non-magnetic metals (Pt, Pd, Cu, Au, Bi, Ir, Ru, W, ...), alloys of these metals, organic and inorganic semiconductor compounds can be used as the lower non-magnetic layer under the central magnetic layer ( GaAs, Si, Ge), semiconductor compounds such as SiC or graphene, optionally placed on substrates Ir, Ru, Ni. The graphene material can indeed be successfully used as a non-magnetic layer under the central magnetic layer in a magnetic recording element. Due to the unique transport characteristics and physicochemical properties of graphene, it is possible to increase the speed of the recording process and reduce the energy consumption of the recording element. In addition, due to the anomalously large spin-orbit interaction in graphene detected upon contact with some heavy metals (Au, Pt, Ir), the generation efficiency of spin-polarized currents in the recording element increases, which also leads to lower power consumption and increased work efficiency devices.

Однако экспериментальные исследования показывают нарушение электронной структуры графена при контакте с указанными в прототипе подложками (Ru, Ni). Экспериментально показано, что при контакте графена с поверхностью Ni, Со, Re, Ru электронная структура, характерная для графена с линейной дисперсией π состояний графена (т.н. конус Дирака) в области точки К зоны Бриллюэна, не сохраняется [7-10]. В области уровня Ферми происходит нарушение линейного характера дисперсионной зависимости π состояний графена вследствие сильной гибридизации π состояний графена с электронными состояниями подложки. Это приводит к потере уникальных свойств графена и невозможности инжекции спин-поляризованных токов из графена и передаче спинового момента в свободный магнитный слой для записи информации. Поэтому контакт графена с поверхностью Ni, Со, Re, Ru не может напрямую быть использован в качестве базовой основы для магнитного записывающего элемента. Отсюда, недостатком прототипа является невозможность построения реально работающего устройства на основе только прямого контакта графена с поверхностью Ni, Ru.However, experimental studies show a violation of the electronic structure of graphene in contact with the specified substrates (Ru, Ni). It was experimentally shown that, when graphene contacts the surface of Ni, Co, Re, Ru, the electronic structure characteristic of graphene with linear dispersion of π states of graphene (the so-called Dirac cone) in the region of point K of the Brillouin zone is not preserved [7-10] . In the region of the Fermi level, the linear character of the dispersion dependence of the π states of graphene is violated due to the strong hybridization of the π states of graphene with the electronic states of the substrate. This leads to the loss of the unique properties of graphene and the inability to inject spin-polarized currents from graphene and the transfer of the spin moment into a free magnetic layer for recording information. Therefore, the contact of graphene with the surface of Ni, Co, Re, Ru cannot be directly used as the basis for a magnetic recording element. Hence, the disadvantage of the prototype is the inability to build a really working device based only on direct contact of graphene with the surface of Ni, Ru.

Использование Ir в качестве подложки для графена является более эффективным, так как при этом формируется квазисвободный графен с линейным Дираковским конусом электронных состояний. При этом контакт графена с Ir приводит к индуцированному спин-орбитальному взаимодействию в графене и спиновому расщеплению электронных состояний до 50 мэВ [11].Using Ir as a substrate for graphene is more efficient, since quasifree graphene with a linear Dirac cone of electronic states is formed. In this case, the contact of graphene with Ir leads to the induced spin – orbit interaction in graphene and the spin splitting of electronic states up to 50 meV [11].

Отличительными признаками заявленного устройства является то, что в качестве немагнитного слоя под центральным магнитным слоем используется графен, синтезированный на поверхности подложки SiC, но с интеркалированными атомами Au между графеном и SiC подложкой. Интеркалированным атомы Au позволяют получить характерную электронную структуру квазисвободного графена с линейным конусом Дирака. Кроме того, экспериментально обнаружено аномально большое спин-орбитальное расщепление электронных состояний в графене величиной до 100-150 мэВ при контакте с атомами Au, что существенно превышает величину спинового расщепления электронных состояний в графене на Ir подложке.Distinctive features of the claimed device is that graphene synthesized on the surface of a SiC substrate, but with intercalated Au atoms between graphene and SiC substrate, is used as a non-magnetic layer under the central magnetic layer. Intercalated Au atoms make it possible to obtain the characteristic electronic structure of quasi-free graphene with a linear Dirac cone. In addition, an abnormally large spin-orbit splitting of electronic states in graphene of up to 100-150 meV in contact with Au atoms was experimentally discovered, which significantly exceeds the magnitude of the spin splitting of electronic states in graphene on an Ir substrate.

Другим отличительным признаком является использование ультратонкой прослойки Pt между графеном и свободным магнитным слоем для эффективной передачи спинового момента и инжекции спин-поляризованных токов в свободный магнитный слой. Т.к. именно контакт ферромагнитного материала (Со) и Pt показывает высокую эффективность спин-орбитального торк эффекта и передачи спинового момента [12]. Поэтому в заявленном изобретении используется контакт Pt и ферромагнитного материала для повышения эффективности передачи спинового момента вследствие спин-орбитального торк эффекта. С другой стороны, ультратонкий слой Pt предотвратит разрушение Дираковского конуса электронных состояний при контакте графена с магнитным металлом свободного магнитного слоя.Another distinguishing feature is the use of an ultrathin Pt interlayer between graphene and a free magnetic layer to efficiently transfer the spin moment and inject spin-polarized currents into the free magnetic layer. Because it is the contact of the ferromagnetic material (Co) and Pt that shows the high efficiency of the spin – orbit torc effect and transfer of the spin moment [12]. Therefore, the claimed invention uses the contact of Pt and a ferromagnetic material to increase the transmission efficiency of the spin moment due to the spin-orbit torc effect. On the other hand, the ultrathin Pt layer will prevent the destruction of the Dirac cone of electronic states upon contact of graphene with the magnetic metal of the free magnetic layer.

Заявленное устройство состоит из графена на подложке карбида кремния (SiC), где между графеном и подложкой добавлен монослой атомов золота (Au), который приводит к спиновому расщеплению электронных состояний в графене в результате индуцированного спин-орбитального взаимодействия [7, 13]. В результате спинового расщепления электронных состояний графена на уровне Ферми при пропускании электрического тока через систему графен/Au/SiC создается спин-поляризованный ток (спиновый ток) вдоль направления электрического тока со спиновой ориентацией перпендикулярной току. При приложении тока обратного направления спиновая ориентация меняется на противоположную. При этом подложка SiC не шунтирует спиновый ток в графене, что приводит к увеличению эффективности работы устройства и упрощает внедрение элемента в конструкцию устройства спинтроники. Данный спиновый ток посредством спин-орбитального торк эффекта может индуцировать намагниченность в свободном магнитном слое ячейки STT-MRAM, расположенном поверх системы графен/Au/SiC. При этом смена направления спинового тока будет приводить к переключению ориентации индуцированной намагниченности в свободном слое вследствие спин-орбитального торк эффекта. Между контактом графен/Au/SiC и свободным магнитным слоем размещен ультратонкий слой Pt, который с одной стороны предотвратит разрушение Дираковского конуса графеновых состояний при контакте с магнитным металлом свободного слоя. С другой стороны, система Со с тонким слоем Pt характеризуется наибольшей степенью эффективности спин-орбитального торк эффекта. Использование наноструктур Co/Pt для генерации в них индуцированной намагниченности при формировании спинового тока вдоль поверхности графена в системе графен/Au/SiC позволить увеличить эффективность работы. При использовании толщины свободного магнитного слоя (из ферромагнитного материала Со) от 10 до 100

ориентация намагниченности, которая будет индуцироваться вследствие спин-орбитального торк эффекта, будет в плоскости слоя. При использовании свободного магнитного слоя Со толщиной более 150

в системе будет индуцироваться намагниченность с ориентацией перпендикулярно слою. Таким образом, можно реализовать две конфигурации ячейки STT-MRAM: с ориентацией намагниченности свободного и фиксированного слоев вдоль слоя или перпендикулярно слою. При этом возможна работа устройства в двух режимах при пропускании электрического тока через графен/Au/SiC со знаком (+) и (-), что будет приводить к противоположному (реверсному) изменению ориентации намагниченности свободного слоя в ячейке магнитной памяти.The claimed device consists of graphene on a silicon carbide (SiC) substrate, where a monolayer of gold (Au) atoms is added between the graphene and the substrate, which leads to spin splitting of electronic states in graphene as a result of induced spin-orbit interaction [7, 13]. As a result of the spin splitting of the electronic states of graphene at the Fermi level when an electric current is passed through the graphene / Au / SiC system, a spin-polarized current (spin current) is created along the direction of the electric current with a spin orientation perpendicular to the current. When a reverse current is applied, the spin orientation changes to the opposite. In this case, the SiC substrate does not shunt the spin current in graphene, which leads to an increase in the efficiency of the device and simplifies the introduction of the element into the design of the spintronics device. This spin current through the spin-orbit torc effect can induce magnetization in the free magnetic layer of the STT-MRAM cell located on top of the graphene / Au / SiC system. In this case, a change in the direction of the spin current will lead to a switch in the orientation of the induced magnetization in the free layer due to the spin – orbit torc effect. An ultrathin Pt layer is placed between the graphene / Au / SiC contact and the free magnetic layer, which on the one hand will prevent the destruction of the Dirac cone of graphene states upon contact with the magnetic metal of the free layer. On the other hand, the Co system with a thin Pt layer is characterized by the highest degree of efficiency of the spin – orbit torc effect. The use of Co / Pt nanostructures to generate induced magnetization in them during the formation of a spin current along the graphene surface in the graphene / Au / SiC system allows one to increase the work efficiency. When using the thickness of the free magnetic layer (from ferromagnetic material Co) from 10 to 100

the orientation of the magnetization, which will be induced due to the spin – orbit torc effect, will be in the plane of the layer. When using a free magnetic layer With a thickness of more than 150

magnetization with an orientation perpendicular to the layer will be induced in the system. Thus, two configurations of the STT-MRAM cell can be realized: with the magnetization orientation of the free and fixed layers along the layer or perpendicular to the layer. In this case, the device can operate in two modes by passing an electric current through graphene / Au / SiC with the signs (+) and (-), which will lead to the opposite (reverse) change in the orientation of the magnetization of the free layer in the magnetic memory cell.

Микромагнитное моделирование подтвердило эффективность работы заявленного устройства. Для определения спинового тока, возникающего в заявленном устройстве необходимо рассмотреть систему со спин-орбитальным взаимодействием, которая описывается гамильтонианом

, где

- это закон дисперсии для электронов в графене. В результате прикладывания электрического поля Е_х в направлении, обозначенном на рисунке (Фигура 1), вдоль направления х возникает спиновый ток:Micromagnetic modeling confirmed the effectiveness of the claimed device. To determine the spin current arising in the claimed device, it is necessary to consider a system with a spin-orbit interaction, which is described by the Hamiltonian

where

is the dispersion law for electrons in graphene. As a result of applying an electric field E _x in the direction indicated in the figure (Figure 1), a spin current arises along the x direction:

где σ - проводимость в графене, α - постоянная Рашбы спин-орбитального взаимодействия (αk_F=100 мэВ для контакта графен/Au [7] и 80 мэВ для контакта графен/Pt [14] согласно экспериментальным результатам). Это приводит к спиновой аккумуляции, т.е. появлению нескомпенсированной спиновой плотности со спиновой поляризацией в направлении y:where σ is the conductivity in graphene, α is the Rushba constant of the spin-orbit interaction (αk _F = 100 meV for the graphene / Au contact [7] and 80 meV for the graphene / Pt contact [14] according to the experimental results). This leads to spin accumulation, i.e. the appearance of an uncompensated spin density with spin polarization in the y direction:

где n - плотность электронов в графене, τ - время жизни. Согласно выражениям (1) и (2) переключение направления приложенного электрического поля будет приводить к переключению спинового тока и спиновой поляризации. Учитывая, что групповая скорость электронов на уровне Ферми составляет υ=10⁶ м/с и используя формулы (1) и (2), мы можем оценить отношение генерируемого спинового тока к пропускаемому электрическому току:

. Используя значение проводимости в графене σ~2×10³ S/cm, можно оценить электрический ток как

A/cm², где ΔU - напряжение в милливольтах. На основании этих оценок можно сделать вывод, что электрический, и соответственно спиновый, ток, возникающий на поверхности системы графен/Au не меньше, чем в случае спинового тока, возникающего в Pt в результате спинового эффекта Холла. Таким образом, система графен/Au, характеризующаяся уникальной спиновой структурой может быть эффективно использована для возбуждения спиновых токов с ориентацией спинов строго перпендикулярно импульсу движущегося электрона.where n is the electron density in graphene, τ is the lifetime. According to expressions (1) and (2), switching the direction of the applied electric field will lead to switching of the spin current and spin polarization. Considering that the group electron velocity at the Fermi level is υ = 10 ⁶ m / s and using formulas (1) and (2), we can estimate the ratio of the generated spin current to the transmitted electric current:

. Using the value of conductivity in graphene σ ~ 2 × 10 ³ S / cm, we can estimate the electric current as

A / cm ² , where ΔU is the voltage in millivolts. Based on these estimates, we can conclude that the electric, and, accordingly, spin, current arising on the surface of the graphene / Au system is not less than in the case of the spin current arising in Pt as a result of the spin Hall effect. Thus, the graphene / Au system, characterized by a unique spin structure, can be effectively used to excite spin currents with spin orientations strictly perpendicular to the momentum of a moving electron.

Спиновая аккумуляция на интерфейсе графен/Au, индуцированная эффектом Рашбы, может рассматриваться как эффективное внутреннее магнитное поле, которое способно намагнитить или перемагнитить свободный слой магнитной ячейки STT-MRAM. Это эффективное магнитное поле, индуцированное спиновым током в графене, приводит к обменному взаимодействию π состояний графена и локальных магнитных моментов свободного магнитного слоя, тем самым приводя к изменению намагниченности свободного слоя. Эффективное магнитное поле

может быть представлено в следующем виде:The Rashba induced spin accumulation at the graphene / Au interface can be considered as an effective internal magnetic field that can magnetize or remagnetize the free layer of the STT-MRAM magnetic cell. This effective magnetic field induced by the spin current in graphene leads to the exchange interaction of the π states of graphene and the local magnetic moments of the free magnetic layer, thereby leading to a change in the magnetization of the free layer. Effective magnetic field

can be represented as follows:

Это дополнительное эффективное магнитное поле создает спин-торк эффект, действующий на намагниченность свободного слоя. При этом торк задается следующим выражением:This additional effective magnetic field creates a spin-torc effect that acts on the magnetization of the free layer. In this case, the torque is given by the following expression:

Для демонстрации возможности эффективного перемагничивания была проведена серия микромагнитных моделирований с использованием экспериментально наблюдаемых величин спин-орбитального расщепления электронных состояний в графене. Для микромагнитного моделирования использовались следующие величины: M_s=800 emu/cm³, константа обменного взаимодействия A=1.3×10^-6 erg/cm, коэффициент затухания α*=0.01 и константа анизотропии K=0:5×10⁴ erg/cm². Конкретные примеры реализации устройства и результаты микромагнитного моделирования будут описаны в соответствующем разделе.To demonstrate the possibility of effective magnetization reversal, a series of micromagnetic simulations was carried out using experimentally observed values of the spin-orbit splitting of electronic states in graphene. The following quantities were used for micromagnetic simulation: M _s = 800 emu / cm ³ , exchange interaction constant A = 1.3 × 10 ^-6 erg / cm, attenuation coefficient α * = 0.01, and anisotropy constant K = 0: 5 × 10 ⁴ erg / cm ² . Specific examples of device implementation and the results of micromagnetic simulation will be described in the corresponding section.

Технический результат, достигаемый предлагаемым устройством, состоит в следующем:The technical result achieved by the proposed device is as follows:

а) Увеличение быстродействия устройства.a) Increased device performance.

За счет использования квазисвободного графена, обладающего большой подвижностью носителей тока, высокой электропроводностью и большей длиной спиновой диффузии, чем у аналогов. А также за счет использования контакта магнитного слоя с Pt для переноса спинового момента. Контакт ферромагнетик - Pt обладает наибольшей степенью эффективности передачи спинового момента в элементе записи к свободному магнитному слою, т.е. обладает наибольшей эффективностью спин-орбитального торк эффекта.Due to the use of quasi-free graphene, which has a high mobility of current carriers, high electrical conductivity, and a longer spin diffusion than analogs. And also due to the use of the contact of the magnetic layer with Pt to transfer the spin moment. The ferromagnet - Pt contact has the highest degree of efficiency of transfer of the spin moment in the recording element to the free magnetic layer, i.e. has the highest efficiency of the spin-orbit torc effect.

б) Снижение энергозатрат при записи информации за счет уменьшения электрического тока, необходимого для записи информации.b) Reducing energy consumption when recording information by reducing the electric current required to record information.

За счет того, что для создания спиновых токов используется контакт графена с золотом, т.к. контакт графена с золотом приводит к спиновой поляризации электрического тока, пропускаемого через устройство, без приложенного внешнего магнитного поля. И за счет высокой проводимости графена потребуется меньший электрический ток для генерации спинового тока в графене и для передачи спинового момента от элемента записи к свободному магнитному слою.Due to the fact that the contact of graphene with gold is used to create spin currents, because the contact of graphene with gold leads to spin polarization of the electric current passed through the device without an external magnetic field. And due to the high conductivity of graphene, a lower electric current is required to generate spin current in graphene and to transfer the spin moment from the recording element to the free magnetic layer.

Сущность заявленного устройства проиллюстрирована Фиг. 1-4. Схема заявленного устройства представлена на Фиг. 1, где 1 - магнитный слой, выполненный из ферромагнитного материала (Ni, Со, Fe или сплава из этих металлов) и толщиной от 1 до 10 нм, 2 - ультратонкий слой платины толщиной 1-2 монослоя (0,2-0,5 нм). Элементы устройства 1 и 2 выполнены в форме параллелепипеда и ограничены размерами ячейки запоминающего устройства, для которого будет использовать заявленное устройство записи. Слой 3 - монослой графена, слой 4 - монослой атомов металла, интеркалированный под графеновый монослой и 5 - изолирующая подложка, состоящая из материала карбида кремния. Набор слоев 3, 4, 5 представляет собой намагничивающий слой, где слои расположены эпитаксиально друг на друге и выполнены в виде параллелепипеда, по ширине ограниченном размерами слоя 1 и 2, т.е. размерами ячейки запоминающего устройства, и по длине превышающим размеры ячейки запоминающего устройства в 2-3 раза. Данная геометрия заявленного устройства записи позволяет разместить контакты на концах линии записи и пропускать электрический ток через намагничивающий слой, состоящий из слоев 3, 4 и 5. Направление градиента потенциала на концах линии записи, которое совпадает с направлением тока записи, обозначено буквой J. В результате спин-орбитального взаимодействия в графене (3) возникает спиновый ток, который вследствие спин-орбитального торк эффекта через ультратонкий слой платины (2) будет оказывать влияние на намагниченность свободного магнитного слоя (1). Путем изменения ориентации намагниченности свободного слоя (1) происходит запись информации в ячейку запоминающего устройства.The essence of the claimed device is illustrated in FIG. 1-4. A diagram of the claimed device is shown in FIG. 1, where 1 is a magnetic layer made of a ferromagnetic material (Ni, Co, Fe or an alloy of these metals) and a thickness of 1 to 10 nm, 2 is an ultrathin platinum layer with a thickness of 1-2 monolayers (0.2-0.5 nm). The elements of the device 1 and 2 are made in the form of a parallelepiped and are limited by the cell size of the storage device for which the claimed recording device will be used. Layer 3 is a monolayer of graphene, layer 4 is a monolayer of metal atoms intercalated under a graphene monolayer and 5 is an insulating substrate consisting of silicon carbide material. The set of layers 3, 4, 5 is a magnetizing layer, where the layers are located epitaxially on each other and are made in the form of a parallelepiped, limited in width by the dimensions of layer 1 and 2, i.e. the size of the memory cell, and in length exceeding the size of the memory cell by 2-3 times. This geometry of the claimed recording device allows you to place the contacts at the ends of the recording line and pass electric current through the magnetizing layer, consisting of layers 3, 4 and 5. The direction of the potential gradient at the ends of the recording line, which coincides with the direction of the recording current, is indicated by the letter J. As a result spin-orbit interaction in graphene (3), a spin current arises, which, due to the spin-orbit torc effect through an ultrathin platinum layer (2), will affect the magnetization of free magnetic th layer (1). By changing the orientation of the magnetization of the free layer (1), information is recorded in the cell of the storage device.

Работа заявленного устройства осуществляется, как показано на Фиг. 2. Ячейка запоминающего устройства будет располагаться непосредственно на заявленном устройстве записи. Кроме ранее обозначенных элементов устройства записи информации на Фиг. 2 обозначены 6 - фиксированный магнитный слой (толщина 1-10 нм), выполненный из ферромагнитного материала (Ni, Со, Fe или сплава из этих металлов), направление намагниченности которого зафиксировано, 7 - туннельный барьер, выполненный из тонкого слоя диэлектрического материала (например, MgO, AlO_x) толщиной до 3 нм для эффективного считывания магниторезистивного туннельного сопротивления. Взаимная ориентация намагниченности фиксированного (6) и свободного (1) слоев будет приводить к изменению сопротивления туннельного перехода. Измеряя величину электрического сопротивления ячейки, можно считать записанную информацию.The operation of the claimed device is carried out as shown in FIG. 2. The storage cell will be located directly on the claimed recording device. In addition to the previously indicated elements of the information recording apparatus in FIG. 2 - 6 - fixed magnetic layer (thickness 1-10 nm) made of a ferromagnetic material (Ni, Co, Fe or an alloy of these metals), the direction of magnetization of which is fixed, 7 - tunnel barrier made of a thin layer of dielectric material (for example , MgO, AlO _x ) up to 3 nm thick for efficient reading of magnetoresistive tunnel resistance. The mutual orientation of the magnetization of the fixed (6) and free (1) layers will lead to a change in the resistance of the tunnel junction. By measuring the electrical resistance of the cell, the recorded information can be read.

На Фиг. 3 и Фиг. 4 продемонстрированы характеристики работы заявленного устройства для конкретных примеров реализации, описанных ниже. На Фиг. 3 показаны рассчитанные петли намагничивания свободного магнитного слоя с заданными размерами и из различных магнитных материалов, т.е. обладающих различной величиной константы анизотропии. На Фиг. 4 проведены сравнительные измерения для различных размеров свободного магнитного слоя. На Фиг. 4 показано критическое эффективное поле, необходимое для перемагничивания свободного магнитного слоя в зависимости от его размеров для случаев магнитотвердого (сплошная линия) и магнитомягкого материалов (пунктирная линия). Как можно видеть на Фиг. 4 даже в случае дополнительной анизотропии (для магнитотвердого материала - сплошная линия с точками на рисунке), критическое эффективное магнитное поле для перемагничивания составляет менее 90 Эрстед, что соответствует плотности тока 1.4×10⁷ А/см2). Данная величина тока может оказаться больше, используемой в настоящее время для аналогичных устройств, однако потребляемая мощность заявленного устройства будет существенно меньше за счет большей проводимости графена.In FIG. 3 and FIG. 4 shows the operating characteristics of the claimed device for specific examples of implementation described below. In FIG. Figure 3 shows the calculated magnetization loops of a free magnetic layer with given sizes and from various magnetic materials, i.e. with different anisotropy constants. In FIG. 4, comparative measurements are carried out for various sizes of the free magnetic layer. In FIG. Figure 4 shows the critical effective field necessary for the magnetization reversal of a free magnetic layer depending on its size for the cases of hard magnetic (solid line) and soft magnetic materials (dashed line). As can be seen in FIG. 4 even in the case of additional anisotropy (for a magnetically hard material - a solid line with dots in the figure), the critical effective magnetic field for magnetization reversal is less than 90 Oersteds, which corresponds to a current density of 1.4 × 10 ⁷ A / cm2). This current value may be greater than that currently used for similar devices, however, the power consumption of the claimed device will be significantly less due to the greater conductivity of graphene.

Описание конкретных примеров реализации данного изобретения.Description of specific examples of the implementation of this invention.

Заявленное устройство было апробировано в Санкт-Петербургском государственном университете (СПбГУ). Конкретные примеры реализации приведены ниже:The claimed device was tested at St. Petersburg State University (St. Petersburg State University). Specific implementation examples are provided below:

Пример 1. Заявленное устройство на Фиг. 1 с использованием свободного магнитного слоя из пермаллоя (магнитомягкий сплав Ni-Fe) и размерами свободного магнитного слоя и ультратонкого слоя платины 50×50×10 нм³(длинахширинахвысота). В качестве подложки используется карбид кремния (SiC), на поверхности которой методом CVD (крекинг углеродосодержащих газов) синтезирован монослой графена. Ширина графена на подложке SiC ограничена размерами свободного магнитного слоя, а длина превышает длину свободного магнитного слоя в 2-3 раза. И между монослоем графена и подложкой карбида кремния интеркалирован один монослой атомов металла золота (Au) с толщиной 0,235 нм, который приводит к спиновому расщеплению электронных состояний в графене до 100 мэВ в результате индуцированного спин-орбитального взаимодействия. В результате спинового расщепления электронных состояний графена на уровне Ферми при пропускании электрического тока через намагничивающий слой, состоящей из слоев графен/Au/SiC, создается спин-поляризованный ток (спиновый ток) вдоль направления электрического тока со спиновой ориентацией в плоскости слоя и перпендикулярно направлению тока. При приложении тока обратного направления спиновая ориентация меняется на противоположную. Данный спиновый ток посредством спин-орбитального торк эффекта индуцирует намагниченность в свободном магнитном слое, расположенном на системе графен/Au/SiC, через ультратонкий слой платины. При этом смена направления спинового тока будет приводить к переключению ориентации индуцированной намагниченности в свободном слое вследствие спин-орбитального торк эффекта. Между контактом графен/Au/SiC и свободным магнитным слоем размещен ультратонкий слой Pt (толщиной 1-2 монослоя или 0,226-0,452 нм), который с одной стороны предотвратит разрушение Дираковского конуса графеновых состояний при контакте с магнитным металлом свободного слоя. С другой стороны, система Со с тонким слоем Pt характеризуется наибольшей степенью эффективности спин-орбитального торк эффекта, что позволяет увеличить эффективность работы и увеличить быстродействие устройства.Example 1. The claimed device in FIG. 1 using a free magnetic layer of permalloy (a magnetically soft alloy of Ni-Fe) and the dimensions of the free magnetic layer and an ultrathin platinum layer of 50 × 50 × 10 nm ³ (length and width heights). Silicon carbide (SiC) is used as a substrate, on the surface of which graphene monolayer was synthesized by CVD (cracking of carbon-containing gases). The width of graphene on the SiC substrate is limited by the size of the free magnetic layer, and the length exceeds the length of the free magnetic layer by 2–3 times. And between the monolayer of graphene and the silicon carbide substrate, one monolayer of gold metal atoms (Au) with a thickness of 0.235 nm is intercalated, which leads to spin splitting of electronic states in graphene up to 100 meV as a result of induced spin-orbit interaction. As a result of the spin splitting of the electronic states of graphene at the Fermi level when an electric current is passed through a magnetizing layer consisting of graphene / Au / SiC layers, a spin-polarized current (spin current) is created along the direction of the electric current with a spin orientation in the layer plane and perpendicular to the current direction . When a reverse current is applied, the spin orientation changes to the opposite. This spin current through the spin-orbit torc effect induces magnetization in a free magnetic layer located on the graphene / Au / SiC system through an ultrathin platinum layer. In this case, a change in the direction of the spin current will lead to a switch in the orientation of the induced magnetization in the free layer due to the spin – orbit torc effect. Between the graphene / Au / SiC contact and the free magnetic layer, an ultrathin Pt layer (1-2 monolayer or 0.226-0.452 nm thick) is placed, which on the one hand will prevent the destruction of the Dirac cone of graphene states upon contact with the magnetic metal of the free layer. On the other hand, the Co system with a thin Pt layer is characterized by the highest degree of efficiency of the spin – orbit torc effect, which allows one to increase the operating efficiency and increase the speed of the device.

В данном примере реализации устройства используется свободный магнитный слой из магнитомягкого материала (сплав Ni-Fe). В случае магнитомягкого материала (K=0 на Фиг. 3) критическое эффективное магнитное поле для перемагничивания будет не более 20 Эрстед, что соответствует плотности тока 0.4×10⁷ А/см². Для создания такого эффективного поля достаточно приложить к намагничивающему слою графен/Au/SiC разность потенциалов 0,16 мВт/нм или температурный градиент 5,4 мК/нм. В то же время эффективное поле перемагничивания слегка увеличивается с увеличением размеров (длина, ширина) свободного слоя из магнитомягкого материала (Фиг. 4). И наиболее оптимальными размерами для заявленного устройства со свободным слоем из магнитомягкого материала являются размеры 50×50×10 нм³ (длинах×ширинах×высота).In this example implementation of the device, a free magnetic layer of soft magnetic material (Ni-Fe alloy) is used. In the case of magnetically soft material (K = 0 in Fig. 3), the critical effective magnetic field for magnetization reversal will be no more than 20 Oersteds, which corresponds to a current density of 0.4 × 10 ⁷ A / cm ² . To create such an effective field, it is sufficient to apply a potential difference of 0.16 mW / nm or a temperature gradient of 5.4 mK / nm to the graphene / Au / SiC magnetizing layer. At the same time, the effective magnetization reversal field slightly increases with the size (length, width) of the free layer of soft magnetic material (Fig. 4). And the most optimal sizes for the claimed device with a free layer of magnetically soft material are sizes of 50 × 50 × 10 nm ³ (length × width × height).

Пример 2. Заявленное устройство на Фиг. 1 и описанное в примере 1, но в качестве свободного слоя используется магнитотвердый материал (CoFeB, FeB, CoFe и др., константа анизотропии K≠0). В этом случае критическое эффективное магнитное поле, необходимое для перемагничивания будет 90 Эрстед (соответствует плотности тока до 1.4×10⁷ А/см²), как показано на Фиг. 3. Таким образом, для данного примера реализации заявленного устройства потребуется большее эффективное магнитное поле для перемагничивания свободного слоя, а значит и большая величина напряжения, прикладываемая к намагничивающему слою для создания спиновых токов в графене - разность потенциалов 0,72 мВт/нм или температурный градиент 24,12 мК/нм. В то же время эффективное поле перемагничивания практически не зависит от размеров (длина, ширина) свободного слоя в случае использования магнитотвердого материала. Таким образом, могут использоваться и другие размеры (длина, ширина) свободного магнитного слоя.Example 2. The claimed device in FIG. 1 and described in Example 1, but a magnetically hard material (CoFeB, FeB, CoFe, etc., anisotropy constant K ≠ 0) is used as a free layer. In this case, the critical effective magnetic field required for magnetization reversal will be 90 Oersteds (corresponding to a current density of up to 1.4 × 10 ⁷ A / cm ² ), as shown in FIG. 3. Thus, for this example implementation of the claimed device, a larger effective magnetic field will be required for magnetization reversal of the free layer, and therefore a larger amount of voltage applied to the magnetizing layer to create spin currents in graphene is a potential difference of 0.72 mW / nm or a temperature gradient 24.12 mK / nm. At the same time, the effective magnetization reversal field is practically independent of the size (length, width) of the free layer in the case of using hard magnetic material. Thus, other sizes (length, width) of the free magnetic layer can be used.

Пример 3. Заявленное устройство на Фиг. 1 и описанное в примере 1, но между монослоем графена и подложкой карбида кремния интеркалирован монослой атомов платины (Pt) (толщина 0,226 нм). Контакт графена с платиной также приводит к спиновому расщеплению электронных состояний в графене (величина расщепления до 80 мэВ). При меньшей величине спинового расщепления электронных состояний графена, преимуществом использования платины по сравнению с золотом является энергетическая локализация d электронных состояний платины вблизи уровня Ферми, что повышает эффективность инжекции спиновых токов и спин-орбитального торк эффекта.Example 3. The claimed device in FIG. 1 and described in example 1, but between the monolayer of graphene and the silicon carbide substrate, a monolayer of platinum atoms (Pt) is intercalated (thickness 0.226 nm). The contact of graphene with platinum also leads to the spin splitting of electronic states in graphene (the splitting is up to 80 meV). With a smaller spin splitting of the electronic states of graphene, the advantage of using platinum over gold is the energy localization of d electronic states of platinum near the Fermi level, which increases the efficiency of injection of spin currents and the spin-orbit torc effect.

Технико-экономическая эффективность заявленного устройства состоит в достижении технического результата. Заявленное устройство имеет коммерческую ценность и при доведении до промышленного производства может быть использовано в области вычислительной техники в качестве элемента записи информации в ячейках запоминающих устройств оперативной памяти с передачей спинового момента (STT-MRAM).The technical and economic effectiveness of the claimed device is to achieve a technical result. The claimed device has commercial value and when brought to industrial production can be used in the field of computer technology as an element of recording information in the memory cells of the RAM with the transfer of spin momentum (STT-MRAM).

Как показали проведенные исследования (Пример 1, Пример 2), заявленное устройство не уступает по техническому результату современным разработкам таких мировых гигантов, как IBM и Samsung, которые активно занимаются разработкой новой памяти типа STT-MRAM, и в ближайшем будущем она может стать заменой флэш-памяти. Кроме того, данные производители уделяют особое внимание поиску новых материалов с уникальными характеристиками, что позволит улучшить характеристики разрабатываемой ячейки оперативной памяти. В заявленном устройстве предлагается использовать материал графен и монослои металлов, которые существенно повысят рабочие характеристики ячейки запоминающего устройства оперативной памяти типа STT-MRAM, увеличат ее быстродействие и уменьшат энергозатраты при работе устройства. Таким образом, заявленное устройство может стать основой импортозамещения при производстве элементов записи информации в ячейках запоминающих устройств оперативной памяти.As the studies showed (Example 1, Example 2), the claimed device is not inferior in technical result to the modern developments of such world giants as IBM and Samsung, which are actively engaged in the development of a new memory such as STT-MRAM, and in the near future it can become a replacement for flash -memory. In addition, these manufacturers pay special attention to the search for new materials with unique characteristics, which will improve the characteristics of the developed RAM cell. In the claimed device, it is proposed to use graphene material and monolayers of metals, which will significantly increase the operating characteristics of the memory cell of the STT-MRAM type, increase its speed and reduce energy consumption during operation of the device. Thus, the claimed device can become the basis of import substitution in the production of information recording elements in the memory cells of the RAM.

В настоящее время компания «Крокус НаноЭлектроника» совместно с МФТИ (Московский физико-технический институт) проводят исследования по разработке нового типа памяти STT-MRAM. Заявленное устройство может повысить конкурентоспособность данной продукции российского производства благодаря использованию новых материалов с уникальными свойствами.Currently, the Crocus NanoElectronica company, together with MIPT (Moscow Institute of Physics and Technology), is conducting research on the development of a new type of memory STT-MRAM. The claimed device can increase the competitiveness of these Russian-made products through the use of new materials with unique properties.

Кроме того, программа развития Цифровой экономики, включенная в перечень основных направлений стратегического развития России до 2025 года, нацелена на развитие «сквозных технологий», к которым относятся работы по созданию квантовых компьютеров и искусственного интеллекта. Заявленное устройство напрямую относится к элементам, необходимым к использованию в перспективных квантовых компьютерах, что способствует скорейшему развитию и внедрению суперкомпьютеров в России.In addition, the development program of the Digital Economy, which is included in the list of the main directions of strategic development of Russia until 2025, is aimed at the development of “end-to-end technologies”, which include work on the creation of quantum computers and artificial intelligence. The claimed device directly relates to the elements necessary for use in promising quantum computers, which contributes to the speedy development and implementation of supercomputers in Russia.

Список использованных источников информации:List of used information sources:

1. Патент США US 8,513,749, 20.08.2013.1. US patent US 8,513,749, 08.20.2013.

2. Патент США US 9,166,146 В2, 20.10.2015.2. US patent US 9,166,146 B2, 10.20.2015.

3. Патент США US 8,889,433, 18.11.2014.3. US patent US 8,889,433, 11/18/2014.

4. A. Mellnik et al., Nature 511, 449 (2014).4. A. Mellnik et al., Nature 511, 449 (2014).

5. I.M. Miron et al., Nature 476, 189 (2011).5. I.M. Miron et al., Nature 476, 189 (2011).

6. Патент США US 2012/0098077 A1, 26.04.2012 (Прототип).6. US patent US 2012/0098077 A1, 04/26/2012 (Prototype).

7. A.M. Shikin et al., New Journal of Physics 15, 013016 (2013).7. A.M. Shikin et al., New Journal of Physics 15, 013016 (2013).

8. O. Rader et al., Phys. Rev. Lett. 102, 057602 (2009).8. O. Rader et al., Phys. Rev. Lett. 102, 057602 (2009).

9. M. Papagno et al., Phys. Rev. В 88, 235430 (2013).9. M. Papagno et al., Phys. Rev. B 88, 235430 (2013).

10. Т. Brugger et al., Phys. Rev. В 79, 045407 (2009).10. T. Brugger et al., Phys. Rev. B 79, 045407 (2009).

11. Marchenko et al., Phys. Rev. В 87, 115426 (2013).11. Marchenko et al., Phys. Rev. B 87, 115426 (2013).

12. C.-J. Lin et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials 93, 194-206 (1991).12. C.-J. Lin et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials 93, 194-206 (1991).

13. D. Marchenko et al., Appl. Phys. Lett. 108, 172405 (2016).13. D. Marchenko et al., Appl. Phys. Lett. 108, 172405 (2016).

14. I.I. Klimovskikh et al., Phys. Rev. В 90, 235431 (2014).14. I.I. Klimovskikh et al., Phys. Rev. In 90, 235431 (2014).

Claims

Устройство записи информации для магниторезистивной оперативной памяти, включающее магнитный слой с намагниченностью в его плоскости, который выполнен в форме параллелепипеда и соединен с немагнитным слоем, выполненным в виде параллелепипеда, ширина которого соизмерима с шириной магнитного слоя, а его длина в 2-3 раза больше длины магнитного слоя, и изолирующую подложку, на которой расположен немагнитный слой, отличающееся тем, что между магнитным слоем и немагнитным слоем расположен ультратонкий слой платины толщиной 0,2-0,5 нм, соизмеримый по форме и размерам с магнитным слоем, немагнитный слой выполнен из двух слоев, один из которых выполнен из графена и расположен в контакте с ультратонким слоем платины, а второй выполнен из монослоя золота и расположен между слоем, выполненным из графена, и изолирующей подложкой.Information recording device for magnetoresistive random access memory, which includes a magnetic layer with a magnetization in its plane, which is made in the form of a parallelepiped and connected to a non-magnetic layer made in the form of a parallelepiped, whose width is comparable with the width of the magnetic layer, and its length is 2-3 times longer the length of the magnetic layer, and the insulating substrate on which the non-magnetic layer is located, characterized in that between the magnetic layer and the non-magnetic layer there is an ultra-thin layer of platinum with a thickness of 0.2-0.5 nm, is comparable Shaped in shape and size with a magnetic layer, the non-magnetic layer is made of two layers, one of which is made of graphene and is in contact with an ultrathin layer of platinum, and the second is made of a gold monolayer and is located between the layer made of graphene and an insulating substrate.