一项新的研究介绍了一种用于数据写入的低能耗磁阻随机存取存储器 (MRAM) 器件，这与传统随机存取存储器 (RAM) 的高能耗需求截然不同。

此方法通过利用先进的铁电-铁磁异质结构来提高性能，从而在降低功耗的同时增强了数据存储。

节能MRAM的开发

近年来，为解决传统随机存取存储器（RAM）的局限性，已开发出用于计算设备的新型存储器。在这些创新存储器中，磁阻随机存取存储器（MRAM）脱颖而出，具有非易失性、高速、存储容量大和耐用性更强等关键优势。然而，仍面临一个重大挑战：降低数据写入过程中的能耗。

大阪大学的研究人员在《先进科学》杂志上发表的一项研究中，介绍了一项突破性的磁阻随机存取存储器（MRAM）技术，该技术可大幅降低写入过程中的能耗。这种方法用基于电场的系统取代了传统的基于电流的写入方法，降低了能耗，使MRAM有望成为传统随机存取存储器（RAM）的有前途的替代品。

比较DRAM与MRAM技术

传统的动态随机存取存储器（DRAM）设备的基本存储单元由晶体管和电容器组成。然而，存储的数据是易失性的，这意味着需要能量输入来维持数据。相比之下，磁阻随机存取存储器（MRAM）利用磁状态（如磁化方向）来写入和存储数据，从而实现非易失性数据存储。

“由于磁性随机存取存储器（MRAM）器件依赖的是非易失性磁化状态，而非电容器中的易失性电荷状态，因此从待机状态下的低能耗角度考虑，它们有望成为动态随机存取存储器（DRAM）的替代品，”该研究的主要作者武山隆正解释道。

先进的MRAM写入技术

当前的MRAM器件通常需要电流来切换磁隧道结的磁化矢量，这类似于在DRAM器件中切换电容器的电荷状态。然而，在写入过程中，切换磁化矢量需要较大的电流。这不可避免地会产生焦耳热，从而导致能耗。

采用多铁性异质结构增强磁性随机存取存储器 (MRAM)

为解决这一问题，研究人员开发了一种用于电场控制磁阻随机存取存储器（MRAM）器件的新组件。其关键技术是一种多铁性异质结构，其磁化矢量可以通过电场进行切换（图1）。异质结构对电场的响应基本上由逆磁电（CME）耦合系数表征；值越大，表明磁化响应越强。

研究人员先前曾报告过一种多铁性异质结构，其反常磁电耦合系数超过10-5 s/m。然而，铁磁层（Co2FeSi）部分的结构涨落使得实现所需的磁各向异性颇具挑战性，从而阻碍了电场操作的可靠性。为了提高该结构的稳定性，研究人员开发了一种新技术，即在铁磁层和压电层之间插入一层超薄钒层。如图2所示，通过插入钒层，形成了一个清晰的界面，从而实现了对Co2FeSi层中磁各向异性的可靠控制。此外，该结构的反常磁电效应值超过了未包含钒层的类似器件。

结果与未来影响

研究人员还证明，通过改变电场的扫描操作，可以在零电场下可靠地实现两种不同的磁态。这意味着可以在零电场下有意实现一种非易失性二进制状态。

高级作者小林隈雅（Kohei Hamaya）说：“通过精确控制多铁性异质结构，满足了实现实用磁电（ME）-MRAM器件的两个关键要求，即无电场下的非易失性二进制状态和巨大的CME效应。”

自旋电子器件的这项研究最终可应用于实际的磁阻随机存取存储器（MRAM）器件上，从而使制造商能够开发出磁电阻随机存取存储器（ME-MRAM），这是一种针对各种需要持久且安全存储的应用而开发的低功耗写入技术。