Anúncio do vencedor da bolsa de estudos da Faculdade de Materiais Avançados de Stanford 2025

Temos o prazer de anunciar que o ganhador da Bolsa de Estudos da Faculdade de Stanford Advanced Materials 2025 é:

Brahmdutta Dixit
Universidade de Minnesota Twin Cities
Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, estudante de doutorado do terceiro ano

A pesquisa de Dixit propõe um novo design baseado em tungstênio, tântalo e nióbio, que oferece um método para melhorar a eficiência dos dispositivos semicondutores de torque spin-órbita (SOT) e reduzir a densidade de corrente crítica. Seu trabalho fornece informações valiosas para o desenvolvimento de futuros dispositivos eletrônicos de alto desempenho e baixo consumo de energia.

A bolsa de estudos da Faculdade de Materiais Avançados de Stanford reconhece jovens acadêmicos de destaque que demonstraram inovação excepcional e proeza intelectual em pesquisa e aplicação de materiais. Parabenizamos calorosamente Brahmdutta Dixit por essa conquista e, ao mesmo tempo, estendemos nossa sincera gratidão a todos os candidatos. Graças à participação entusiasmada de tantos acadêmicos ilustres, o próprio processo de seleção tornou-se um intercâmbio acadêmico de alto nível, oferecendo um vislumbre do futuro empolgante da ciência dos materiais.

Para obter mais detalhes sobre nosso programa de bolsas e oportunidades futuras, clique aqui.

Projeto vencedor:

Envio original do vencedor: Brahmdutta_Dixit_Stanford_Advanced_Materials_Scholarship_2025_Submission.pdf

Spintrônica de metais raros: Plataformas de Ni₄W a TaIrTe₄/NbIrTe₄ de baixa simetria para MRAM determinística

Resumo:

A spintrônica é um campo fascinante, rico em física, que vai além do controle de carga para armazenar dados. Ele aproveita o spin do elétron para desenvolver memórias não voláteis (NVMs) de alta resistência, baixa energia e baixa latência. Dentre as várias gerações de MRAM e mecanismos de comutação [1], conforme mostrado na figura 1, há duas classes principais de memória magnética de acesso aleatório (MRAM) adotadas pelo setor: torque de transferência de spin (STT) e torque de spin-órbita (SOT). Historicamente, a STT-MRAM tem sofrido com uma resistência limitada e taxas de erro de bit mais altas porque usa o mesmo caminho para leitura e gravação. Em contrapartida, a SOT-MRAM atenua esses problemas ao separar os caminhos de leitura e gravação. Na SOT-MRAM, há um canal de metal pesado para gerar acoplamento de órbita de spin (SOC). Os dispositivos SOT habilitados para metais raros prometem energia ultrabaixa, comutação magnética sem campo para a próxima geração de NVM e hardware probabilístico/IA.

Meu trabalho atual se concentra em diferentes metais pesados de baixa simetria, comoNi4W, PtW (liga) e calcogenetos semimetálicos de metais raros de baixa simetria, como TaIrTe₄ e NbIrTe₄. Seu alto SOC, suas grandes funções de trabalho e sua rica química interfacial ajudam a obter a comutação determinística da SOT MRAM.

Figura 1: (a) Panorama geracional da MRAM: arquiteturas de alternância, STT, termicamente assistida, SOT e opticamente assistida. (b) Regimes dinâmicos correspondentes: fs-ps (desmagnetização ultrarrápida, relaxamento de spin, precessãocoerente ), ps-ns (torques de spin), ns-µs (dinâmica de parede de domínio e STT) e além (efeitos térmicos e retenção magnética) [1].

Com base nisso, usando pulverização catódica com magnetron compatível com o setor, desenvolvemos filmes finos de Ni₄W epitaxial de alta qualidade e relatamos uma alta eficiência de SOT de 0,73, trabalho recentemente publicado pela Advanced Materials. Ampliando isso, agora estamos visando o ajuste do nível de Férmi em Ni₄W por meio do controle da estequiometria do tungstênio e do doping de cobalto em Ni4W para alinhar os estados eletrônicos com picos na condutividade de spin Hall (SHC), aumentando assim a eficiência de SOT e reduzindo a densidade de corrente crítica. Paralelamente, fabriquei dispositivos de barra Hall baseados em flocos 2D de TaIrTe₄ e NbIrTe₄ esfoliados para explorar sua baixa simetria intrínseca para polarização de spin não convencional e comutação controlável por porta.

Artigo

Metais raros, como tungstênio (W), tântalo (Ta) e nióbio (Nb), destacam a SOT-MRAM baseada em spintrônica mais promissora da atualidade. Quando colocados ao lado de um ferromagneto ultrafino, como permalloy (Py) e CoFeB, esses elementos pesados convertem a corrente de carga em correntes de spin transversais por meio de forte SOC. Os spins polarizados injetados podem alterar o estado do ímã; esse é o fundamento da memória SOT. Em comparação com as NVMs convencionais baseadas em CMOS, como o flash NAND, os dispositivos SOT oferecem não volatilidade, gravações em nanossegundos e energia ultrabaixa por bit, o que os torna atraentes para MRAM tipo cache, aceleradores de IA de ponta e computação probabilística na memória.

Dois problemas principais limitaram a ampla implantação da SOT-MRAM: (1) a densidade de corrente crítica (Jc) necessária para a comutação rápida e (2) o campo magnético externo necessário para quebrar a simetria em dispositivos de anisotropia magnética perpendicular (PMA). Neste artigo, tentarei explicar como o Ni₄W e os semimetais de weyl de baixa simetria (TaIrTe₄ e NbIrTe₄) abordam diretamente as questões mencionadas acima, além de delinear um roteiro experimental de vários projetos nos quais estou trabalhando atualmente. No final, falarei sobre como a minha pesquisa une e abrange todo o espectro da ciência dos materiais à fabricação de dispositivos e sua aplicação no setor.

1) Fonte SOT baseada em Ni₄W com quebra de simetria incorporada:

Em nosso estudo recente, conforme mostrado na figura 2 (apresentado na primeira página do Advanced Materials Journal) [2,3], descobrimos que o Ni₄W é um intermetálico rico em tungstênio. Suas orientações cristalinas de baixa simetria suportam o acúmulo multidirecional de spin, o que permite a comutação sem campo de junções de túnel magnético perpendiculares (p-MTJs) quando a interface é feita corretamente. Na prática, isso significa que podemos eliminar ímãs permanentes ou bobinas de campo externo, o que é fundamental para a área, a confiabilidade e a potência.

Além da simetria, o Ni₄W pode oferecer alta eficiência SOT, que é de 0,73. A figura de mérito, o ângulo de spin Hall efetivo ou a eficiência de torque semelhante ao amortecimento, depende sensivelmente dos estados eletrônicos em torno do nível de Fermi (EF). Os picos na curvatura do spin Berry e os "pontos quentes" na estrutura da banda podem amplificar a conversão de carga em spin.

Figura 2: Vista esquemática do Ni₄W(211)/CoFeB, enfatizando os spins orientados em várias direções. (b) Representação estrutural do cristal tetragonal de Ni₄W. (c) Varredura XRD θ-2θ para Al2O3(0001)/W (2 nm)/Ni4W (30 nm)/CoFeB (5 nm)/cap. Detalhe: curva de balanço da reflexão do Ni4W(211) (FWHM = 0,084°). (d) Comparação dos ângulos de spin Hall convencionais (no plano) e fora do plano do Ni₄W com os principais materiais SOT. (e) Mapa de espaço recíproco da mesma pilha, plotado em coordenadas de safira [2].

2) Ajuste do nível de Férmis com estequiometria de W e co-dopagem de Co:

Atualmente, estou ajustando sistematicamente oEF em Ni₄W por meio da dopagem de orifícios, ajustando o conteúdo de tungstênio e introduzindo uma leve co-dopagem de cobalto (Co).

Figura 3: Ângulos de Spin Hall para Ni₄W(211). Os traços verde, amarelo e azul são θY, θZ e θX; as curvas sólidas e tracejadas indicam duas direções de corrente ortogonais. Aqui, a linha tracejada vermelha mostra a SHA mais alta que pode ser alcançada para esse nível de férmio específico [2].

Conforme mostrado na figura 3, o objetivo é alinharEF com o máximo em SHC (linha tracejada vermelha), o que deve: (a) aumentar a eficiência do torque semelhante ao amortecimento (aumentando a corrente de spin fornecida ao ferromagneto). (b) Reduzir Jcpara comutação de nanossegundos. (c) Preservar a baixa resistividade e a estabilidade térmica necessárias para a integração rigorosa do back-end-of-line (BEOL). Atualmente, a Globalfoundries tem a STT-MRAM na plataforma CMOS de 22nm FDX e 28nm HKMG entre a linha de metal M4-M5 do BEOL.

3) Minha abordagem para o estudo da liga Ni4W e do SOT dopado com Co:

Deposito Ni₄W (211) em substratos de safira usando pulverização catódica com magnetron DC e viso as orientações relatadas para maximizar os componentes de spin não convencionais. O XRD/curva de oscilação e o mapeamento do espaço recíproco garantem a textura desejada, enquanto o AFM e o TEM avaliam a qualidade da interface. Além disso, realizo a função de trabalho do monitor UPS/XPS e a composição de Ni, W e Co em filmes finos pulverizados. Em seguida, eu pulverizo uma camada ferromagnética, como Py e CFB, para a medição de SOT, faço o segundo Hall harmônico e o spin-torque FMR, extraio componentes semelhantes a amortecimento/campo. Além disso, usando barras Hall e p-MTJs, quantifico a probabilidade de comutação em relação à largura do pulso, o escalonamento do atraso de energia e a retenção.

4) Estudo SOT de semimetais weyl de baixa simetria TaIrTe₄ e NbIrTe₄:

Conforme mostrado na figura 4, as ligas à base de Ta e Nb de metais raros, como TaIrTe₄ e NbIrTe₄, semimetais em camadas, têm intrinsecamente baixa simetria cristalina. Essa baixa simetria permite polarizações de spin não convencionais (inclusive OOP z-spin) sob corrente no plano. Isso ajuda na comutação livre de campo sem camadas adicionais de quebra de simetria.

Figura 4: (a) Estrutura cristalina dos semimetais de Weyl TaIrTe4 e NbIrTe4. (b) Dados de XRD do TaIrTe4 obtidos em uma máquina de raios X baseada em Co. (c), (d) Imagem microscópica do dispositivo de barra Hall padronizado da pilha TaIrTe4/Py/Ru antes da gravação e depois da gravação, respectivamente.

Eu esfolio mecanicamente os flocos de TaIrTe₄ e NbIrTe₄ a partir de cristais únicos emsubstratos isolantes deSi/SiO2 pré-padronizados, pulverizo a camada ferromagnética de Py ou CoFeB e faço a modelagem em barras Hall por meio de litografia de feixe eletrônico. O fluxo completo do processo foi compilado na figura 5. Com esses dispositivos de barra Hall, realizo o Hall segundo-harmônico, meço o sinal de magnetorresistência de spin unidirecional (USMR) e exploro o gating eletrostático (dielétricos HfO₂/Al₂O₃) para modular a anisotropia magnética de controle de volume e o efeito do campo elétrico.

Figura 5: Fluxo do processo de fabricação de barras Hall de dispositivos de pilha TaIrTe/Py/Ru para medições de segundo harmônico e USMR.

5) Integração dos efeitos de controle de tensão, como a anisotropia magnética de controle de tensão:

Em nosso estudo recente [4], conforme mostrado na figura 6, demonstramos que o ajuste da função de trabalho da subcamada abaixo de CoFeB/MgO pode amplificar significativamente o VCMA. Nas pilhas deW/PtxW1-x/CoFeB/MgO, o aumento do teor de Pt eleva a função de trabalho do metal e destitui de elétrons a interface CoFeB/MgO em equilíbrio, o que aumenta a resposta do campo elétrico da anisotropia interfacial. O UPS e o XPS confirmam a mudança da função de trabalho e a transferência de carga interfacial. Ao ajustar o conteúdo de Pt, obtivemos um coeficiente VCMA até ~8 vezes maior do que um controle de W puro, com o melhor desempenho emPt77W23.

6) Aplicações e impacto:

Meus projetos sobre novos materiais de baixa simetria, comoNi4W, TaIrTe4e NbIrTe4, ajudarão o setor a adaptar a SOT-MRAM para caches e memória incorporada. As pilhas livres de campo baseadas nesses metais raros removem campos externos e simplificam os circuitos periféricos. Com dopagem otimizada e simetria de cristal, a energia por bit pode atingir o regime de femtojoule, o que ajuda diretamente na redução do consumo de energia do data center.

Figura 6: (a) Esquema de seção transversal do dispositivo de barra Hall com gated. (b) Alinhamento de nível de energia para CoFeB no limite de banda plana quando emparelhado com W, Pt₇₇W₂₃ ou Pt e esquema de depleção de elétrons de CoFeB/MgO em uma subcamada de PtₓW₁₋ₓ de alta função de trabalho em equilíbrio térmico. (c) Gráficos de distribuição (box plots) de Ki e VCMA para diferentes ligas de PtxW1-x usadas como subcamadas [4].

Esses novos dispositivos SOT-MRAM também podem ser usados em computação probabilística e na memória. Ao controlar a probabilidade de comutação por meio da largura do pulso e da tensão da porta, esses dispositivos MRAM atuam como p-bits ou amostradores ponderados, o que é ainda mais útil em aceleradores de otimização e IA generativa.

As NVMs baseadas em CMOS têm problemas com radiação em atividades de exploração espacial. A SOT-MRAM forneceu um caminho para eletrônicos seguros e resistentes à radiação. Os bits magnéticos resistem a erros leves; as pilhas baseadas em metais raros são robustas em temperatura e sob radiação, o que é importante para o setor aeroespacial.

Por meio desses estudos de pesquisa, podemos prever os seguintes resultados, como (i) um mapa de dopantes/estoquiometria para maximizar o SOT em Ni₄W, (ii) comutação sem campo em semimetais esfoliados de baixa simetria e (iii) caminhos de integração para SOT MRAM e computação estocástica confiáveis e fabricáveis. Em termos mais amplos, o projeto destaca como os metais raros (W, Ta, Nb) podem ser projetados no nível da estrutura da banda para fornecer eletrônicos sustentáveis e de alto impacto, avançando tanto na spintrônica fundamental quanto nas tecnologias práticas de memória.

Biografia

Brahmdutta Dixit épesquisador graduado do3º ano de doutorado no Nano Magnetism & Quantum Spintronics Lab da University of Minnesota Twin-Cities, Minnesota, EUA. Ele tem seis anos de experiência combinada no setor e na área acadêmica em física de dispositivos, ciência de materiais e spintrônica. Seu trabalho atual está centrado em spintrônica de metais raros: Ni₄W epitaxial como fonte SOT multidirecional; ajuste do nível de Férmis via estequiometria de W e co-dopagem de Co para aumentar a eficiência do torque e reduzir a corrente de gravação; e dispositivos de barra Hall de TaIrTe₄/NbIrTe₄ esfoliados para comutação sem campo. Ele integra o crescimento de película fina com XRD/UPS/XPS, ST-FMR, segundo harmônico Hall, AHE/USMR e co-projeta SOT com anisotropia magnética de controle de tensão (VCMA) e acoplamento de troca de controle de tensão (VCEC) para operações MRAM de poucos fJ. Anteriormente, atuou como engenheiro de dispositivos/integração na GlobalFoundries (melhorias de rendimento e processo em FinFET de 14 nm, HKMG de 28 nm e NVM de 40 nm) e como estagiário de validação de tecnologia avançada na Advanced Micro. Devices (AMD) (metodologia e correlação de rendimento em nós de ponta como 3nm e 5nm FinFET). Anteriormente, na Universidade de Würzburg, Alemanha, ele trabalhou em pilhas de isoladores topológicos 3D HgTe/CdHgTe/Py cultivadas por MBE. Medalhista de ouro em B.Tech da Universidade de Mizoram, ele é coautor de artigos em Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Physics Reports e ACS Nano.

Referências:

[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. (Página de rosto)

[4] Chen, Yu-Chia, Thomas Peterson, Qi Jia, Yifei Yang, Shuang Liang, Brandon R. Zink, Yu Han Huang, Deyuan Lyu, Brahmdutta Dixit e Jian-Ping Wang. "Anisotropia magnética grande e sintonizável baseada em depleção de elétrons e controlada por voltagem no sistema CoFeB/MgO por meio de subcamadas de Pt x W1-x com função de trabalho". ACS nano 19, no. 16 (2025): 15953-15962. (IF: 16.0)