Under de senaste decennierna har elektronikingenjörer försökt utveckla allt mindre enheter som kan lagra information på ett tillförlitligt sätt, även när de inte är strömsatta.
En lovande typ av icke-flyktigt minne är spintronik, det vill säga halvledarsystem som lagrar och bearbetar information genom att utnyttja elektronernas spinn (dvs. en inneboende form av rörelsemängdsmoment).
Forskare vid University of Maryland och andra institut presenterade nyligen en ny spintronisk enhet baserad på nanostrukturer av material som uppvisar ferromagnetism (dvs. en permanent men ändå omkopplingsbar magnetisk ordning) och ferroelektricitet (dvs. en permanent men ändå omkopplingsbar elektrisk polarisering). Denna enhet, som beskrivs i en artikel publicerad i Nature Nanotechnology, kan växla mellan fyra stabila resistanslägen och skulle därmed kunna fungera som ett multistatsminne.
Systemet, som har utvecklats med hjälp av nanoteknik av forskarna, kombinerar två olika typer av enheter, så kallade magnetiska tunnelkontakter (MTJ) och ferroelektriska tunnelkontakter (FTJ). En MTJ består av två magnetiska tunna filmer separerade av en isolerande tunn film, medan en FTJ består av två olika metallelektrodlager separerade av en tunn ferroelektrisk film. Båda dessa typer av enheter har visat sig vara lovande lösningar för informationslagring.
”När MTJ:er och FTJ:er kombineras – det vill säga två olika ferromagnetiska elektroder åtskilda av ett tunt lager av ferroelektriska material – bildar de en ny enhet som kallas ’multiferroiska tunnelövergångar (MFTJ)’”, berättade Cheng Gong, huvudförfattare till artikeln, för Phys.org.
”Detta är en enhet med fyra tillstånd: när magnetiseringarna hos de två elektroderna är parallella eller antiparallella genereras två distinkta tunnelresistanser på grund av tunnelmagnetoresistanseffekten (TMR); när den ferroelektriska polariseringen växlas mellan två motsatta riktningar genereras två distinkta tunnelresistanser på grund av tunnelelektroresistanseffekten (TER).”
PFM-mätningar för CIPS/F3GT-heterostrukturer. Källa: Nature Nanotechnology (2026). DOI: 10.1038/s41565-025-02065-1
Bygga MFTJ:er med hjälp av atomtunna kristaller
En viktig fördel med MFTJ-enheter är att de förväntas uppvisa fyra urskiljbara typer av elektriskt motstånd (dvs. tillstånd), istället för de två tillstånd som MTJ:er och FTJ:er uppvisar. Man kan växla mellan dessa tillstånd genom att applicera externa elektriska och magnetiska fält.
Trots deras potential är det utmanande att tillverka MFTJ:er genom att exakt odla staplade oxidmaterial med hjälp av en teknik som kallas epitaxi och skapa heterogena strukturer. Detta beror främst på att de underliggande materialen måste passa ihop nästan perfekt på atomnivå och vara kemiskt kompatibla.
Om atomer i angränsande skikt inte ligger exakt i linje och om materialen reagerar kemiskt med varandra kan detta påverka prestandan hos den resulterande enheten. Dessutom kan små imperfektioner (dvs. defekter) eller diffusion av atomer från ett skikt till ett annat också leda till försämrad prestanda.
”I detta sammanhang skulle tillverkning av MFTJ med hjälp av van der Waals-skikt (vdW) i grunden minska utmaningarna, eftersom sammansättningen av olika vdW-skikt inte begränsas av krav på matchande gitterkonstanter”, säger Gong. ”Kort sagt kan varje enskilt skikt i vdW-MFTJ fritt anpassas vad gäller materialtyp, tjocklek och potentiellt även skiktens inbördes glidregister och vridningsvinklar. Med detta sagt kan man föreställa sig hur stor frihet vdW-MFTJ har när det gäller konstruktion av enheter, utformning av egenskaper och prestandaoptimering.”
De MFTJ-enheter som skapats av Gong och hans kollegor konstruerades med hjälp av elektroder baserade på de ferromagnetiska materialen Fe3GeTe2, Fe5GeTe2 eller Fe3GaTe2 och en distans (dvs. en tunn isolerande barriär) baserad på CuInP2S6 eller In2Se3. I stället för att kemiskt odla skikten i deras enhet tillsammans, monterade teamet dem individuellt genom att stapla mycket tunna kristallskikt ovanpå varandra.
”De magnetiska elektroderna vi använde är baserade på Fe3GeTe2, Fe5GeTe2 och Fe3GaTe2”, sade Gong. ”Det ferroelektriska mellanlägget vi använde är antingen CuInP2S6 eller In2Se3. Vi använde tejp för att exfoliera varje enskilt skikt och mekaniskt överföra och sätta ihop dem vertikalt för att bilda MFTJ.”
Mot införandet av multistate-spintroniska minnen
Gong och hans kollegor var de första att experimentellt demonstrera en MFTJ baserad enbart på tvådimensionella vdW-kristaller, atomärt tunna material som hålls samman av svaga attraktioner kända som vdW-krafter. Teamet visade att denna enhet uppvisar de fyra förutsagda omkopplingsbara, icke-flyktiga typerna av elektrisk resistans.
”En MFTJ uppvisar fyra elektriska resistanslägen, motsvarande när de två magnetiska skikten är magnetiserade parallellt eller antiparallellt (tunneling magnetoresistance-effekt) och när det ferroelektriska mellanlägget är polariserat uppåt eller nedåt (tunneling electroresistance-effekt)”, sade Gong.
”Vi har nu byggt en MFTJ med tre vdW-skikt (två magnetiska och ett ferroelektriskt) och demonstrerat de fyra tillstånden genom att växla magnetiseringen och/eller polariseringen hos varje skikt. Enhetens prestanda (t.ex. ON/OFF-förhållande och strömtäthet) kan enkelt anpassas genom att byta ut vilket som helst av de tre ingående skikten – den obegränsade friheten som endast vdW-material kan ge vid skiktmontering.”
Det är värt att notera att genom att tillverka MFTJ:n med olika material kan ingenjörer ändra hur starkt enheten växlar och hur mycket ström som flödar genom den. I framtiden kan teamets design och tillverkningsmetoder inspirera till skapandet av högpresterande spintroniska enheter baserade på MFTJ:er.
”Låg energiförbrukning och hög prestanda är alltid de två riktningarna för att utveckla elektroniska enheter”, tillade Gong. ”Som en del av våra nästa studier planerar vi att undersöka den grundläggande magnetoelektriska kopplingen i MFTJ:er och dess inverkan på nya fysikaliska fenomen och enhetens prestanda.”
Publiceringsuppgifter
Xie et al, Tailorable multiferroic tunnel junctions from all-van der Waals multilayer stacking, Nature Nanotechnology (2026). DOI: 10.1038/s41565-025-02065-1.
