Anuncio del ganador de la beca Stanford Advanced Materials College 2025

Tenemos el placer de anunciar que el beneficiario de la beca 2025 de la Facultad de Materiales Avanzados de Stanford es:

Brahmdutta Dixit
Universidad de Minnesota Twin Cities
Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, estudiante de tercer año de doctorado

La investigación de Dixit propone un nuevo diseño basado en tungsteno, tántalo y niobio, que ofrece un método para mejorar la eficiencia de los dispositivos semiconductores de par espín-órbita (SOT) y reducir la densidad de corriente crítica. Su trabajo aporta valiosas ideas para desarrollar futuros dispositivos electrónicos de alto rendimiento y bajo consumo.

La beca de la Escuela Superior de Materiales Avanzados de Stanford reconoce la labor de jóvenes destacados que han demostrado una innovación y una destreza intelectual excepcionales en la investigación y aplicación de materiales. Felicitamos calurosamente a Brahmdutta Dixit por este logro y, al mismo tiempo, hacemos extensivo nuestro sincero agradecimiento a todos los solicitantes. Gracias a la entusiasta participación de tantos distinguidos académicos, el propio proceso de selección se convirtió en un intercambio académico de alto nivel, ofreciendo una visión del apasionante futuro de la ciencia de los materiales.

Para más detalles sobre nuestro programa de becas y futuras oportunidades, haga clic aquí.

Proyecto ganador:

Presentación original del ganador: Brahmdutta_Dixit_Stanford_Advanced_Materials_Scholarship_2025_Submission.pdf

Espintrónica de metales raros: De Ni₄W a TaIrTe₄/NbIrTe₄ Plataformas de baja simetría para MRAM determinista

Resumen:

La espintrónica es un campo fascinante, rico en física, que va más allá del control de la carga para almacenar datos. Aprovecha el espín del electrón para desarrollar memorias no volátiles (NVM) de alta resistencia, bajo consumo energético y baja latencia. De las distintas generaciones de MRAM y mecanismos de conmutación [1] que se muestran en la figura 1, hay dos clases principales de memoria magnética de acceso aleatorio (MRAM) adoptadas por la industria: la de par de transferencia de espín (STT) y la de par espín-órbita (SOT). Históricamente, la memoria MRAM STT ha adolecido de una resistencia limitada y una mayor tasa de errores de bit, ya que utiliza la misma ruta para la lectura y la escritura. En cambio, la SOT-MRAM mitiga estos problemas separando las rutas de lectura y escritura. En la SOT-MRAM hay un canal de metal pesado para generar el acoplamiento orbital de espín (SOC); los dispositivos SOT habilitados con metales raros prometen una conmutación magnética sin campos y de energía ultrabaja para la próxima generación de NVM y hardware probabilístico/AI.

Mi trabajo actual se centra en diferentes metales pesados de baja simetría comoNi4W, PtW (aleación) y calcogenuros semimetálicos de metales raros de baja simetría como TaIrTe₄ y NbIrTe₄. Su elevado SOC, sus grandes funciones de trabajo y su rica química interfacial ayudan a conseguir la conmutación determinista de la SOT MRAM.

Figura 1: (a) Panorama generacional de las MRAM: conmutación, STT, asistida térmicamente, SOT y arquitecturas asistidas ópticamente. (b) Regímenes dinámicos correspondientes: fs-ps (desmagnetización ultrarrápida, relajación de espín, precesióncoherente ), ps-ns (pares de espín), ns-µs (dinámica de pared de dominio y STT), y más allá (efectos térmicos y retención magnética) [1].

Partiendo de esta base, y utilizando un proceso de pulverización catódica por magnetrón compatible con la industria, hemos cultivado películas delgadas epitaxiales de Ni₄W de alta calidad y hemos obtenido una elevada eficiencia SOT de 0,73, trabajo publicado recientemente en Advanced Materials. En la actualidad estamos trabajando en el ajuste del nivel de Fermi en Ni₄W mediante el control de la estequiometría del tungsteno y el dopaje con cobalto en Ni4W para alinear los estados electrónicos con los picos de conductividad Hall de espín (SHC), mejorando así la eficiencia SOT y reduciendo la densidad de corriente crítica. Paralelamente, fabrico dispositivos de barra Hall basados en escamas 2D de TaIrTe₄ y NbIrTe₄ exfoliadas para explotar su baja simetría intrínseca para la polarización de espín no convencional y la conmutación controlable por puerta.

Artículo

Metales raros como el wolframio (W), el tántalo (Ta) y el niobio (Nb ) destacan entre las SOT-MRAM basadas en espintrónica más prometedoras de la actualidad. Cuando se colocan junto a un ferromagneto ultrafino como permalloy (Py) y CoFeB, estos elementos pesados convierten la corriente de carga en corrientes de espín transversales a través de un fuerte SOC. Los espines polarizados inyectados pueden cambiar el estado del imán; esto es lo fundamental de la memoria SOT. En comparación con las memorias NVM convencionales basadas en CMOS, como la flash NAND, los dispositivos SOT ofrecen no volatilidad, escrituras en nanosegundos y una energía por bit ultrabaja, lo que los hace atractivos para memorias MRAM tipo caché, aceleradores de inteligencia artificial y computación probabilística en memoria.

Dos problemas principales han limitado el despliegue generalizado de la SOT-MRAM: (1) la densidad de corriente crítica (Jc) necesaria para la conmutación rápida, y (2) el campo magnético externo requerido para romper la simetría en los dispositivos de anisotropía magnética perpendicular (PMA). En este artículo, intentaré explicar cómo el Ni₄W y los semimetales de weyl de baja simetría (TaIrTe₄ y NbIrTe₄), abordan directamente las cuestiones mencionadas, y esboza una hoja de ruta experimental de varios proyectos en los que estoy trabajando actualmente. Al final, hablaré de cómo mi investigación tiende puentes y abarca todo el espectro de la ciencia de los materiales hasta la fabricación de dispositivos y su aplicación en la industria.

1) Fuente SOT basada en Ni₄W con ruptura de simetría incorporada:

En nuestro reciente estudio, como se muestra en la figura 2 (publicado en la portada de Advanced Materials Journal) [2,3], descubrimos que el Ni₄W es un intermetálico rico en tungsteno. Sus orientaciones cristalinas de baja simetría favorecen la acumulación multidireccional de espín, lo que permite la conmutación sin campo de las uniones de túnel magnético perpendiculares (p-MTJ) cuando se interconectan correctamente. En la práctica, esto significa que podemos eliminar los imanes permanentes o las bobinas de campo externas, lo que es fundamental para el área, la fiabilidad y la potencia.

Más allá de la simetría, el Ni₄W puede ofrecer una alta eficiencia SOT, que es de 0,73. La cifra de mérito, el ángulo Hall de espín efectivo o la eficiencia del par amortiguador, depende sensiblemente de los estados electrónicos alrededor del nivel de Fermi (EF). Los picos en la curvatura de spin Berry y los "puntos calientes" en la estructura de banda pueden amplificar la conversión de carga a spin.

Figura 2: Vista esquemática de Ni₄W(211)/CoFeB, destacando los espines orientados en varias direcciones. (b) Representación estructural del cristal tetragonal de Ni₄W. (c) Barrido θ-2θ de DRX para Al2O3(0001)/W (2 nm)/Ni4W (30 nm)/CoFeB (5 nm)/tapa. Inserto: curva de balanceo de la reflexión de Ni4W(211) (FWHM = 0,084°). (d) Comparación de los ángulos Hall de espín convencionales (en el plano) y fuera del plano de Ni₄W con los principales materiales SOT. (e) Mapa del espacio recíproco de la misma pila, trazado en coordenadas de zafiro [2].

2) Ajuste del nivel de Fermi con la estequiometría de W y el codoping de Co:

Actualmente, estoy sintonizando sistemáticamenteEF en Ni₄W mediante el dopado de agujeros ajustando el contenido de tungsteno e introduciendo un ligero codopado de cobalto (Co).

Figura 3: Ángulos Hall de espín para Ni₄W(211). Trazos verdes, amarillos y azules θY, θZ y θX; las curvas continuas y discontinuas indican dos direcciones ortogonales de la corriente. La línea discontinua roja muestra el SHA más alto que puede alcanzarse para ese nivel fermi específico [2].

Como se muestra en la figura 3, el objetivo es alinearEF con el máximo en SHC (línea discontinua roja), lo que debería, (a) aumentar la eficiencia del par amortiguador (aumentando la corriente de espín suministrada al ferromagneto). (b) Disminuir Jcpara la conmutación en nanosegundos. (c) Preservar la baja resistividad y la estabilidad térmica necesarias para una integración ajustada del final de línea (BEOL). En la actualidad, Globalfoundries dispone de STT-MRAM en plataformas CMOS FDX de 22 nm y HKMG de 28 nm entre la línea metálica M4-M5 de BEOL.

3) Mi enfoque para el estudio de la aleación Ni4W y el SOT dopado con Co:

Deposito Ni₄W (211) en sustratos de zafiro mediante pulverización catódica por magnetrón de corriente continua y selecciono las orientaciones indicadas para maximizar los componentes de espín no convencionales. La DRX/curva de oscilación y el mapeado de espacio recíproco garantizan la textura deseada, mientras que el AFM y el TEM evalúan la calidad de la interfaz. Además, realizo un seguimiento por UPS/XPS de la función de trabajo y la composición de Ni, W y Co en las películas finas pulverizadas. A continuación, pulverizo una capa ferromagnética como Py y CFB, y para medir el SOT utilizo Hall de segundo armónico y FMR de torsión de espín. Además, utilizando barras Hall y p-MTJs, cuantifico la probabilidad de conmutación frente a la anchura del pulso, el escalado energía-retardo y la retención.

4) Estudio SOT de semimetales weyl de baja simetría TaIrTe₄ y NbIrTe₄:

Como se muestra en la figura 4, las aleaciones basadas en metales raros Ta y Nb como TaIrTe₄ y NbIrTe₄, semimetales en capas tienen intrínsecamente baja simetría cristalina. Esa baja simetría permite polarizaciones de espín no convencionales (incluido el espín z OOP) bajo corriente en el plano. Esto ayuda a la conmutación libre de campo sin capas adicionales que rompan la simetría.

Figura 4: (a) Estructura cristalina de los semimetales de Weyl TaIrTe4 y NbIrTe4. (b) Datos de DRX de TaIrTe4 obtenidos con una máquina de rayos X basada en Co. (c), (d) Imagen microscópica del dispositivo de barra Hall de la pila TaIrTe4/Py/Ru antes y después del grabado, respectivamente.

Exfolié mecánicamente escamas de TaIrTe₄ y NbIrTe₄ a partir de monocristales sobresustratos aislantes deSi/SiO2 prepatronizados, pulvericé una capa ferromagnética de Py o CoFeB y las modelé en barras Hall mediante litografía de haz electrónico; en la figura 5 se muestra el flujo completo del proceso. Con estos dispositivos de barra Hall, realizo Hall de segunda armónica, mido la señal de espín-magnetorresistencia unidireccional (USMR) y exploro la compuerta electrostática (dieléctricos HfO₂/Al₂O₃) para modular la anisotropía magnética de control de voltaje y el efecto de campo eléctrico.

Figura 5: Flujo del proceso de fabricación de barras Hall de dispositivos apilados TaIrTe/Py/Ru para mediciones de segundo armónico y USMR.

5) Integración de efectos de control de tensión como la anisotropía magnética de control de tensión:

En nuestro reciente estudio [4], como se muestra en la figura 6, hemos demostrado que el ajuste de la función de trabajo de la capa inferior bajo CoFeB/MgO puede amplificar notablemente la VCMA. En las pilas deW/PtxW1-x/CoFeB/MgO, el aumento del contenido de Pt eleva la función de trabajo del metal y agota los electrones de la interfaz CoFeB/MgO en equilibrio, lo que mejora la respuesta del campo eléctrico de la anisotropía interfacial. La UPS y la XPS confirman el desplazamiento de la función de trabajo y la transferencia de carga interfacial. Ajustando el contenido de Pt, conseguimos un coeficiente VCMA hasta ~ 8× mayor que el de un control W puro, con el mejor rendimiento enPt77W23.

6) Aplicaciones e impacto:

Mis proyectos sobre nuevos materiales de baja simetría comoNi4W, TaIrTe4yNbIrTe4 ayudarán a la industria a adaptar la SOT-MRAM para cachés y memorias integradas. Las pilas sin campo basadas en estos metales raros eliminan los campos externos y simplifican los circuitos periféricos. Con un dopaje y una simetría de cristal optimizados, la energía por bit puede alcanzar el régimen de femtojulios, lo que contribuye directamente a reducir el consumo eléctrico de los centros de datos.

Figura 6: (a) Esquema transversal del dispositivo de barra Hall con compuerta. (b) Alineación de los niveles de energía del CoFeB en el límite de banda plana cuando se combina con W, Pt₇₇W₂₃ o Pt, y esquema del agotamiento de electrones del CoFeB/MgO en una capa inferior de PtₓW₁₋ₓ de alta función de trabajo en equilibrio térmico. (c) Diagramas de distribución (diagramas de cajas) de Ki y VCMA para distintas aleaciones de PtxW1-x utilizadas como subcapas [4].

Estos nuevos dispositivos SOT-MRAM también pueden utilizarse en computación probabilística y en memoria. Al controlar la probabilidad de conmutación mediante el ancho de pulso y el voltaje de puerta, estos dispositivos MRAM actúan como p-bits o muestreadores ponderados, lo que resulta útil en aceleradores de optimización y de IA generativa.

Las NVM basadas en CMOS tienen problemas con la radiación en las actividades de exploración espacial. La SOT-MRAM ofrece una vía hacia una electrónica segura y resistente a la radiación. Los bits magnéticos resisten los errores blandos; las pilas basadas en metales raros son robustas a temperatura y bajo radiación, algo importante para la industria aeroespacial.

Gracias a estos estudios de investigación, podemos anticipar los siguientes resultados: (i) un mapa dopante/estequiometría para maximizar la SOT en Ni₄W, (ii) conmutación sin campo en semimetales exfoliados de baja simetría, y (iii) vías de integración para MRAM SOT fiable y fabricable y computación estocástica. En términos más generales, el proyecto pone de relieve cómo los metales raros (W, Ta, Nb) pueden diseñarse a nivel de estructura de banda para ofrecer una electrónica sostenible y de alto impacto, avanzando tanto en la espintrónica fundamental como en las tecnologías prácticas de memoria.

Biografía

Brahmdutta Dixit es investigador detercer año de doctorado en el Laboratorio de Nanomagnetismo y Espintrónica Cuántica de la Universidad de Minnesota Twin-Cities (Minnesota, EE.UU.). Tiene seis años de experiencia combinada en la industria y el mundo académico en física de dispositivos, ciencia de materiales y espintrónica. Su trabajo actual se centra en la espintrónica de metales raros: Ni₄W epitaxial como fuente de SOT multidireccional; ajuste del nivel de Fermi mediante estequiometría de W y codoping de Co para mejorar la eficiencia del par y reducir la corriente de escritura; y dispositivos de barra Hall de TaIrTe₄/NbIrTe₄ exfoliados para conmutación sin campo. Integra el crecimiento de capas finas con XRD/UPS/XPS, ST-FMR, Hall de segundo armónico, AHE/USMR y codiseña SOT con anisotropía magnética de control de tensión (VCMA) y acoplamiento de intercambio de control de tensión (VCEC) para operaciones MRAM de pocos fJ. Anteriormente, trabajó como Ingeniero de Dispositivos/Integración en GlobalFoundries (mejoras de rendimiento y procesos en FinFET de 14 nm, HKMG de 28 nm y NVM de 40 nm) y como becario de Validación de Tecnología Avanzada en Advanced Micro. Devices (AMD) (correlación de metodología y rendimiento en nodos punteros como FinFET de 3nm y 5nm). Anteriormente trabajó en la Universidad de Würzburg (Alemania) en pilas de aislantes topológicos tridimensionales HgTe/CdHgTe/Py obtenidas por MBE. Medalla de oro de la Universidad de Mizoram, es coautor de artículos en Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Physics Reports y ACS Nano.

Referencias:

[1] Dikshit, Surya Narain, Arshid Nisar, Brahmdutta Dixit, et.al. "Optically assisted ultrafast spintronics: A review". Physics Reports 1140 (2025): 1-46. (FI: 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". Materiales avanzados (2025): 2416763. (FI: 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. (Portada)

[4] Chen, Yu-Chia, Thomas Peterson, Qi Jia, Yifei Yang, Shuang Liang, Brandon R. Zink, Yu Han Huang, Deyuan Lyu , Brahmdutta Dixit y Jian-Ping Wang. "Anisotropía magnética grande y sintonizable basada en el agotamiento de electrones y controlada por voltaje en el sistema CoFeB/MgO mediante capas subyacentes de Pt x W1-x diseñadas para la función de trabajo". ACS nano 19, no. 16 (2025): 15953-15962. (FI: 16.0)