إعلان أسماء الفائزين بمنحة كلية ستانفورد للمواد المتقدمة لعام 2025

يسرنا أن نعلن أن الفائز بمنحة كلية Stanford Advanced Materials لعام 2025 هو

براهمدوتا ديكسيت
جامعة مينيسوتا توين سيتيز
قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب، طالب دكتوراه في السنة الثالثة

يقترح بحث ديكسيت تصميمًا جديدًا يعتمد على التنجستن والتنتالوم والنيوبيوم، والذي يوفر طريقة لتحسين كفاءة أجهزة أشباه الموصلات ذات عزم الدوران المداري (SOT) وتقليل كثافة التيار الحرج. يوفر عمله رؤى قيمة لتطوير أجهزة إلكترونية مستقبلية عالية الأداء ومنخفضة الطاقة.

تُمنح منحة كلية Stanford Advanced Materials للباحثين الشباب المتميزين الذين أظهروا ابتكارات استثنائية وبراعة فكرية في أبحاث المواد وتطبيقاتها. نهنئ بحرارة براهمدوتا ديكسيت على هذا الإنجاز ونعرب في الوقت نفسه عن خالص امتناننا لجميع المتقدمين. وبفضل المشاركة الحماسية للعديد من العلماء المتميزين، أصبحت عملية الاختيار في حد ذاتها عملية تبادل أكاديمي رفيع المستوى، مما يقدم لمحة عن المستقبل المثير لعلوم المواد.

لمزيد من التفاصيل حول برنامج المنح الدراسية والفرص المستقبلية، يرجى الضغط هنا.

المشروع الفائز:

التقديم الأصلي للفائز Brahmdutta_Dixit_Dixit_Stanford_Advanced_Materials_Scholarship_2025_Submission.pdf

سبينترونيكس معدنية نادرة: من Ni₄W إلى TaIrTe₄/NbIrTe₄No_2084↩NbIrTe₄ منصات منخفضة التماثل من أجل الرامات المغناطيسية الرنين المغناطيسي الحتمية

الملخص:

تُعد سبينترونيكس مجالًا رائعًا وغنيًا بالفيزياء يتجاوز التحكم في الشحنات لتخزين البيانات. فهو يسخّر دوران الإلكترون لتطوير ذواكر غير متطايرة (NVMs) عالية التحمل ومنخفضة الطاقة ومنخفضة زمن الوصول. من بين الأجيال المختلفة من ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية وآلية التحويل [1] كما هو موضح في الشكل 1، هناك فئتان رئيسيتان من ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية (MRAM) التي تعتمدها الصناعة: عزم الدوران الناقل للدوران (STT) وعزم الدوران المداري (SOT). عانت STT-MRAM تاريخياً من محدودية القدرة على التحمل ومعدلات خطأ البتات الأعلى لأنها تستخدم نفس المسار للقراءة والكتابة. في المقابل، تخفف SOT-MRAM من هذه المشكلات من خلال فصل مسارات القراءة والكتابة. في SOT-MRAM، توجد قناة معدنية ثقيلة لتوليد اقتران المدار الدوراني (SOC)، وتعد أجهزة SOT الممكّنة من المعادن النادرة بتبديل مغناطيسي منخفض الطاقة للغاية وخالٍ من المجال للجيل القادم من أجهزة NVM والأجهزة الاحتمالية/المعلوماتية.

يركز عملي الحالي على معادن ثقيلة مختلفة منخفضة التماثل مثلNi4W، وPtW (سبيكة) وأشباه المعادن النادرة منخفضة التماثل مثل TaIrTe₄ وNbIrTe₄. يساعد ارتفاع SOC، ووظائف العمل الكبيرة، والكيمياء البينية الغنية، على تحقيق التبديل الحتمي لمرام SOT MRAM.

الشكل 1: (أ) المشهد التوليدي لذواكر الرامات المصغّرة: البنى ذات التبديل، وSTT، والمدعومة حرارياً، وSOT، والمدعومة بصرياً. (ب) الأنظمة الديناميكية المقابلة: fs-ps (إزالة المغناطيسية بسرعة فائقة، والاسترخاء المغناطيسي الفائق السرعة، والاسترخاء المغناطيسي السريع، والسابقة المتماسكة)، وPS-ns ( عزم الدوران)، وns-µs (ديناميكيات جدار المجال وSTT)، وما بعدها (التأثيرات الحرارية والاحتفاظ المغناطيسي) [1].

وبناءً على ذلك، وباستخدام الرذاذ المغنطروني المتوافق مع الصناعة، قمنا بزراعة أغشية رقيقة عالية الجودة من النيكل والماء وأبلغنا عن كفاءة عالية في SOT بلغت 0.73، وقد نُشر هذا العمل مؤخرًا في مجلة Advanced Materials. وتوسيع نطاق هذا العمل الآن نستهدف ضبط مستوى فيرمي في Ni₄W من خلال التحكم في قياس التكافؤ التنجستن وتطعيم الكوبالت في Ni4W لمحاذاة الحالات الإلكترونية مع قمم التوصيل المغزلي (SHC)، وبالتالي تعزيز كفاءة SOT وتقليل كثافة التيار الحرج. وبالتوازي مع ذلك، قمت بتصنيع أجهزة قضبان هال ثنائية الأبعاد قائمة على رقائق ثنائية الأبعاد من TaIrTe₄ وNbIrTe₄ NbIrTe₄ لاستغلال تناظرها المنخفض الجوهري للاستقطاب غير التقليدي للدوران والتبديل الذي يمكن التحكم فيه بالبوابة.

المادة

تبرز المعادن النادرة مثل التنجستن (W) والتنتالوم(Ta) والنيوبيوم (Nb) أكثر المعادن الواعدة اليوم القائمة على SOT-MRAM القائمة على تقنية SOT-MRAM. عند وضع هذه العناصر الثقيلة بجانب مغناطيس حديدي فائق الرقّة مثل بيرمالوي (Py) و CoFeB، تقوم هذه العناصر الثقيلة بتحويل تيار الشحنة إلى تيارات مغزلية عرضية من خلال SOC قوي. يمكن للمغازل المحقونة المستقطبة أن تغير حالة المغناطيس؛ وهذا هو أساس ذاكرة SOT. وبالمقارنة مع أجهزة الذاكرة غير المرئية التقليدية القائمة على CMOS مثل فلاش NAND، فإن أجهزة SOT توفر عدم التقلب، والكتابة من فئة النانو ثانية، والطاقة المنخفضة للغاية لكل بت، مما يجعلها جذابة لذاكرة التخزين المؤقت الشبيهة بذاكرة التخزين المؤقت، ومسرعات الذكاء الاصطناعي المتطورة والحوسبة الاحتمالية داخل الذاكرة.

هناك مشكلتان أساسيتان رئيسيتان حدتا من الانتشار الواسع ل SOT-MRAM: (1) كثافة التيار الحرجة (Jc) المطلوبة للتبديل السريع، و(2) المجال المغناطيسي الخارجي المطلوب لكسر التماثل في أجهزة التباين المغناطيسي المتعامد (PMA). في هذا المقال، سأحاول في هذا المقال شرح كيفية معالجة أشباه معادن Ni₄W وأشباه معادن الوايل منخفضة التناظر (TaIrTe₄ وNbIrTe₄)، بشكل مباشر للمشكلات المذكورة أعلاه، كما أنه يحدد خارطة طريق تجريبية للعديد من المشاريع التي أعمل عليها حاليًا. وفي النهاية، سأتحدث عن كيفية ربط أبحاثي وتغطيتها لكامل طيف علم المواد وتصنيع الأجهزة وتطبيقها في الصناعة.

1) مصدر SOT القائم على النيكل₄W مع كسر التناظر المدمج:

في دراستنا الأخيرة كما هو موضح في الشكل 2 (ظهر في الصفحة الأولى من مجلة المواد المتقدمة) [2،3]، وجدنا أن Ni₄W هو مصدر بيني معدني غني بالتنغستن. تدعم توجهاتها البلورية منخفضة التماثل تراكم الدوران متعدد الاتجاهات، مما يتيح التبديل الخالي من المجال للوصلات النفقية المغناطيسية المتعامدة (p-MTJs) عند الربط البيني بشكل صحيح. ومن الناحية العملية، هذا يعني أنه يمكننا التخلص من المغناطيس الدائم أو ملفات المجال الخارجي، وهو أمر بالغ الأهمية بالنسبة للمساحة والموثوقية والطاقة.

وبالإضافة إلى التماثل، يمكن لـ Ni₄W توفير كفاءة SOT عالية تبلغ 0.73. ويعتمد رقم الجدارة، أو زاوية هول الدوران الفعّالة أو كفاءة عزم الدوران الشبيه بالتخميد بشكل حساس على الحالات الإلكترونية حول مستوى فيرمي (EF). يمكن أن تؤدي القمم في انحناء سبين بيري و"النقاط الساخنة" في بنية النطاق إلى تضخيم التحويل من الشحنة إلى الدوران.

الشكل 2: الشكل 2: عرض تخطيطي ل Ni₄W(211)/CoFeB، مع التركيز على المغازل الموجهة في عدة اتجاهات. (ب) التمثيل الهيكلي لبلورة Ni₄W رباعي الزوايا. (ج) مسح XRD θ-2θ لـ Al2O3(0001)/W (2 نانومتر)/Ni4W (30 نانومتر)/CoFeB (5 نانومتر)/CoFeB (5 نانومتر). مُقحم: منحنى التأرجح لانعكاس Ni4W(211) (FWHM = 0.084°). (د) مقارنة بين زوايا قاعة الدوران التقليدية (داخل المستوى) وزوايا الدوران خارج المستوى مع مواد SOT الرائدة. (هـ) خريطة الفضاء المتبادل لنفس المكدس، مرسومة بإحداثيات الياقوت [2].

2) ضبط مستوى فيرمي مع قياس التكافؤ W والتطعيم المشترك Co:

أقوم حاليًا بضبط EF بشكل منهجي فيNi₄W عن طريق ضبط مستوى فرمي في Ni₄W عن طريق تعديل محتوى التنجستن وإدخال منشطات الكوبالت الخفيفة (Co) المشتركة.

الشكل 3: زوايا سبين هول ل Ni₄W(211). التتبع الأخضر والأصفر والأزرق θY وθZ وθX؛ تشير المنحنيات الصلبة مقابل المتقطعة إلى اتجاهين متعامدين للتيار. يُظهر الخط الأحمر المتقطع هنا أعلى SHA الذي يمكن تحقيقه لمستوى فيرمي محدد [2].

وكما هو موضح في الشكل 3، فإن الهدف هو محاذاة EFمع الحد الأقصى في SHC (الخط الأحمر المتقطع)، وهو ما يجب، (أ) زيادة كفاءة عزم الدوران الشبيه بالتخميد (زيادة تيار الدوران الذي يتم توصيله إلى المغناطيس الحديدي). (ب) انخفاض Jcللتبديل بالنانو ثانية. (ج) الحفاظ على المقاومة المنخفضة والاستقرار الحراري اللازمين للتكامل المحكم في نهاية الخط (BEOL). كما هو الحال حاليًا لدى Globalfoundries حاليًا STT-MRAM على منصة 22 نانومتر FDX و28 نانومتر HKMG CMOS بين الخط المعدني M4-M5 من BEOL.

3) النهج الذي اتبعته لدراسة سبيكة Ni4W وSOT المخدر بـ Co:

أقوم بإيداع Ni₄W (211) على ركائز الياقوت باستخدام الرش المغنطروني بالتيار المستمر واستهداف التوجهات التي تم الإبلاغ عنها لتعظيم مكونات الدوران غير التقليدية. يضمن XRD/ المنحنى الهزاز/ المنحنى الهزازي ورسم خرائط الفضاء المتبادل الملمس المطلوب، بينما يقيّم AFM وTEM جودة الواجهة. علاوة على ذلك، أقوم بإجراء UPS/XPS لرصد وظيفة العمل وتكوين النيكل والوايترو والكوبالت في الأغشية الرقيقة المنبثقة. بعد ذلك، أقوم برش طبقة مغناطيسية حديدية مثل Py وCFB، ولقياس SOT أقوم بإجراء قياس SOT باستخدام قاعة التوافقات الثانية وموجات FMR لعزم الدوران واستخراج المكونات الشبيهة بالتخميد/المشابهة للمجال. علاوة على ذلك، وباستخدام قضبان Hall و p-MTJs، أقوم بقياس احتمالية التبديل مقابل عرض النبضة، وقياس التأخير في الطاقة والاحتفاظ.

4) دراسة SOT لأشباه فلزات الوايل منخفضة التماثل TaIrTe₄ وNbIrTe₄:

كما هو موضح في الشكل 4، فإن أشباه الفلزات النادرة القائمة على Ta وNb، مثل TaIrTe₄ وNbIrTe₄، وهي أشباه فلزات ذات طبقات، لها تناظر بلوري منخفض في جوهره. يتيح هذا التماثل المنخفض استقطابات مغزلية غير تقليدية (بما في ذلك المغزل الضوئي (OOP z-spin) في ظل تيار داخل المستوى. ويساعد ذلك في التبديل الخالي من المجال دون الحاجة إلى طبقات تكسير متناظرة إضافية.

الشكل 4: (أ) التركيب البلوري لشبه فلزات الوايل TaIrTe4 وNbIrTe4. (ب) بيانات XRD لـ TaIrTe4 من جهاز الأشعة السينية القائم على Co. (ج)، (د) صورة مجهرية لجهاز قضيب القاعة المنقوشة لمكدس TaIrTe4/Py/Ru قبل الحفر وبعد الحفر على التوالي.

لقد قشرت ميكانيكيًا رقائق TaIrTe₄ وNbIrTe₄ من رقائق أحادية البلورة على ركائز عازلة منقوشة مسبقًا من Si/SiO2أو طبقة Py أو CoFeB الحديدية ونمطتها في قضبان قاعة عبر الطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية، وقد تم تجميع تدفق العملية الكامل في الشكل 5. باستخدام أجهزة قضبان القاعة هذه، أقوم بإجراء القاعة التوافقي الثاني، وقياس إشارة المقاومة المغناطيسية أحادية الاتجاه (USMR)، واستكشاف البوابات الكهروستاتيكية (HfO₂₂/Al₂O₃O↩O₃ عازلة) لتعديل التباين المغناطيسي للتحكم في الحجم وتأثير المجال الكهربائي.

الشكل 5: تدفق عملية تصنيع قضيب القاعة لأجهزة مكدس TaIrTe/Py/Ru لقياسات التوافقي الثاني ومعدل الترددات فوق الصوتية.

5) دمج تأثيرات التحكم في الجهد مثل التباين المغناطيسي للتحكم في الجهد:

في دراستنا الحديثة [4]، كما هو موضح في الشكل 6، أظهرنا أن ضبط وظيفة عمل الطبقة السفلية تحت CoFeB/MgO يمكن أن يضخم بشكل ملحوظ من التباين المغناطيسي للتحكم في الجهد. في مكدسات W/Pt/PtxW1-x/CoFeB/MgO، تؤدي زيادة محتوى البوت إلى زيادة دالة عمل المعدن واستنزاف إلكترون واجهة CoFeB/MgO عند التوازن، مما يعزز استجابة المجال الكهربائي للتباين البيني. تؤكد UPS وXPS تحول وظيفة العمل ونقل الشحنة البينية. من خلال ضبط محتوى Pt، حققنا معامل VCMA يصل إلى 8×8 مرات أكبر من عنصر تحكم W النقي، مع أفضل أداء عند Pt77W23.

6) التطبيقات والتأثير:

ستساعدمشاريعي حول المواد الجديدة منخفضة التماثل مثلNi4WوTaIrTe4وNbIrTe4الصناعة على تكييف SOT-MRAM للتخزين المؤقت والذاكرة المدمجة. تزيل المداخن الخالية من الحقول القائمة على هذه المعادن النادرة الحقول الخارجية وتبسط الدوائر المحيطية. وبفضل المنشطات المحسنة والتناظر البلوري يمكن أن تصل الطاقة لكل بت إلى نظام الفيمتو جول مما يساعد بشكل مباشر في تقليل استهلاك الطاقة في مركز البيانات.

الشكل 6: (أ) رسم تخطيطي مقطعي لجهاز قضيب القاعة المبوب. (ب) محاذاة مستوى الطاقة لـ CoFeB في حد النطاق المسطح عند إقرانها مع W أو Pt₇₇₇W₂₃₃₃ أو Pt وتخطيطي لنضوب الإلكترون من CoFeB/MgO إلى طبقة سفلية عالية وظيفة العمل Ptm_2093↩W₁₁₋ₓₓ₋ عند التوازن الحراري. (ج) مخططات التوزيع (المخططات الصندوقية) لـ Ki و VCMA لسبائك PtxW1-x المتغيرة المستخدمة كطبقات سفلية [4].

يمكن أيضًا استخدام أجهزة SOT-MRAM الجديدة هذه في الحوسبة الاحتمالية والحوسبة داخل الذاكرة. من خلال التحكم في احتمالية التبديل عبر عرض النبض وجهد البوابة، تعمل أجهزة MRAM هذه كبتات p أو عينات مرجحة والتي تعتبر مفيدة بشكل أكبر في التحسين ومسرعات الذكاء الاصطناعي التوليدي.

تواجه أجهزة NVM القائمة على CMOS مشاكل مع الإشعاع في أنشطة استكشاف الفضاء. وفرت SOT-MRAM طريقاً لإلكترونيات آمنة ومقاومة للإشعاع. فالبتات المغناطيسية تقاوم الأخطاء الناعمة؛ كما أن المداخن القائمة على المعادن النادرة قوية في درجات الحرارة وتحت الإشعاع، وهو أمر مهم للفضاء.

من خلال هذه الدراسات البحثية يمكننا توقع النتائج التالية مثل: (1) خريطة مخدر/قياس الثنائيات لتعظيم SOT في النيكل والنيكل، (2) التبديل الخالي من المجال في أشباه المعادن منخفضة التماثل المقشرة، و(3) مسارات التكامل من أجل ذاكرة الرام SOT MRAM الموثوقة والقابلة للتصنيع والحوسبة العشوائية. على نطاق أوسع، يسلط المشروع الضوء على كيفية هندسة المعادن النادرة (W، Ta، Nb) على مستوى بنية النطاق لتقديم إلكترونيات مستدامة وعالية التأثير، مما يؤدي إلى تطوير كل من الإلكترونيات الفنترونية الأساسية وتقنيات الذاكرة العملية.

السيرة الذاتية

براهمدوتا ديكسيت هوباحث دكتوراه في السنةالثالثة في مختبر النانو المغناطيسية والكمية للسبينترونيكس في جامعة مينيسوتا توين سيتيز في مينيسوتا بالولايات المتحدة الأمريكية. يتمتع بست سنوات من الخبرة الصناعية والأكاديمية مجتمعة في فيزياء الأجهزة وعلوم المواد والسبينترونيكس. يركز عمله الحالي على الإلكترونيات السبينترونية المعدنية النادرة: Ni₄W الفوقية كمصدر متعدد الاتجاهات SOT؛ وضبط مستوى فيرمي عبر قياس المستوى الفيرمي عبر قياس المستوى الفيرمي والتطعيم المشترك مع Co لتعزيز كفاءة عزم الدوران وتقليل تيار الكتابة؛ وأجهزة شريط القاعة المقشرة TaIrTe₄/NbIrTe₄/NbIrTe₄ Hall-bar للتبديل الخالي من المجال. وهو يدمج نمو الأغشية الرقيقة مع XRD/UPS/XPS، وST-FMR، وST-FMR، وHall التوافقي الثاني، وAHE/USMR، ويشارك في تصميم SOT مع التباين المغناطيسي للتحكم في الجهد (VCMA) واقتران تبادل التحكم في الجهد (VCEC) نحو عمليات الرامات المغناطيسية ذات الجهد القليل من الجاذبية. عمل سابقًا كمهندس أجهزة/دمج في شركة GlobalFoundries (تحسينات في الإنتاجية والمعالجة عبر 14 نانومتر FinFET و28 نانومتر HKMG و40 نانومتر NVM) وكمتدرب في التحقق من صحة التكنولوجيا المتقدمة في شركة Advanced Micro. Devices (AMD) (المنهجية وارتباط العائد على العقد الرائدة مثل 3 نانومتر و5 نانومتر FinFET). في وقت سابق في جامعة فورتسبورغ بألمانيا، عمل في وقت سابق في جامعة فورتسبورغ بألمانيا على مداخن العازل الطوبولوجي ثلاثي الأبعاد HgTe/CdHgTe/Py. حصل على الميدالية الذهبية في بكالوريوس التقنية من جامعة ميزورام، وشارك في تأليف أوراق بحثية في مجلة Advanced Materials، و Advanced Functional Materials، وFin Physics Reports، وACS Nano.

المراجع:

[1] ديكشيت، سوريا نارين، أرشيد نيسار، براهمدوتا ديكسيت، وآخرون "الإلكترونيات السبينترونية فائقة السرعة المدعومة بصريًا: مراجعة". تقارير الفيزياء 1140 (2025): 1-46. (IF: 29.5)

[2] يانغ، ييفي، وسيونغجون لي، ويو تشيا تشين، وتشي جيا، وبراهمدوتا ديكسيت، وآخرون. " عزم الدوران الكبير في المدار مع مكونات الدوران متعددة الاتجاهات في Ni4W." المواد المتقدمة ( 2025): 2416763. (IF: 26.8)

[3] Yang, Yifei, Seungjun Lee, Yu-Chia Chen, Qi Jia, Brahmdutta Dixit et al. " عزم دوران كبير في المدار مع مكونات سبين متعددة الاتجاهات في Ni4W (Adv. Mater. 32/2025)." Advanced Materials 37, no. 32 (2025): e70089. (صفحة الغلاف)

[4] Chen, Yu-Chia, Thomas Peterson, Qi Jia, Yifei Yang, Shuang Liang, Brandon R. Zink, Yu Han Huang, Deyuan Lyu, Brahmdutta Dixit, and Jian-Ping Wang. "التباين المغناطيسي الكبير والقابل للضبط القائم على استنفاد الإلكترون المستند إلى الجهد الكهربائي في نظام CoFeB/MgO عبر طبقات تحتية من البولي بروبيلين س س س1 س المهندسة بوظيفة العمل." ACS nano 19, no. 16 (2025): 15953-15962. (IF: 16.0)