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二次元ベースの磁気トンネル接合に基づくニューロモルフィックデバイスの理論的研究

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ2092
補助金の研究課題番号 21J22520 (2021-2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2021-2022)
応募区分国内
審査区分 小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
研究機関大阪大学

研究代表者

Harfah Halimah  大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワードmagnetic tunnel junction / 2D materials / monoatomic vacancy / spintronics / hexagonal boron nitride / graphene (Gr) / localized state / spin coupling / vacancy / magnetic proximity / neuromorphic device / magnetoresistance (MR) / proximity effect / optical-based MTJ / new MTJ mechanism
研究開始時の研究の概要

Research on exploring and designing a neuromorphic device based on 2D materials magnetic tunnel junction is proposed. The 2D materials such as graphene and hBN have unique physical and chemical properties when doping or a vacancy occur. One of the example is the appearance of localized state. A neuromorphic device by utilizing and controlling the localized state of the doped or defected 2D materials to create a multi-level memory state are expected to be the the outcome. This result will be an insight to create in-materio synapses weight based on 2D materials based MTJ.

研究実績の概要

The study on vacancies in 2D materials impacting magnetic tunnel junction (MTJ) device performance has progressed significantly. Utilizing density functional theory (DFT), monoatomic vacancies in hexagonal boron nitride (hBN) and graphene layers were investigated. Vacancies were found to create distinct transmission channels for spin-majority and spin-minority channels, influenced by the proximity effect and vacancy layer's localized state.

A novel van der Waals-based MTJ design was proposed, comprising hBN(VB)/Graphene(Gr)/hBN(VB) with strategically positioned monoatomic vacancies. Non-equilibrium Green's function (NEGF) simulations, coupled with DFT data, showed a TMR ratio of approximately 400%, marking a significant advancement in thin structure MTJs. This design underscores the potential of defective 2D materials in enhancing magnetic random-access memory (MRAM) devices and optimizing neuromorphic devices.

The research reveals the intricate relationship between vacancies in 2D materials and MTJ device performance, offering new avenues for device optimization. The proposed MTJ design with monoatomic vacancies demonstrates remarkable potential for improving TMR ratios and advancing MRAM devices, highlighting the importance of defective 2D materials in next-generation electronic and magnetic devices. Furthermore, the engineering of the vacancy opens up the possible application of 2D materials MTJ as a potential neuromorphic device.

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (10件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 4件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Ultra-thin van der Waals magnetic tunnel junction based on monoatomic boron vacancy of hexagonal boron nitride2024

    • 著者名/発表者名
      Harfah Halimah、Wicaksono Yusuf、Sunnardianto Gagus Ketut、Majidi Muhammad Aziz、Kusakabe Koichi
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 26 号: 12 ページ: 9733-9740

    • DOI

      10.1039/d4cp00218k

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Spin-Topological Electronic Valve in Ni/hBN-Graphene-hBN/Ni Magnetic Junction2023

    • 著者名/発表者名
      Wicaksono Yusuf、Harfah Halimah、Sunnardianto Gagus Ketut、Majidi Muhammad Aziz、Kusakabe Koichi
    • 雑誌名

      Magnetochemistry

      巻: 9 号: 5 ページ: 113-113

    • DOI

      10.3390/magnetochemistry9050113

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Colossal in-plane magnetoresistance ratio of graphene sandwiched with Ni nanostructures2022

    • 著者名/発表者名
      Wicaksono Yusuf、Harfah Halimah、Sunnardianto Gagus Ketut、Majidi Muhammad Aziz、Kusakabe Koichi
    • 雑誌名

      RSC Advances

      巻: 12 号: 22 ページ: 13985-13991

    • DOI

      10.1039/d2ra00957a

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] High magnetoresistance of a hexagonal boron nitride?graphene heterostructure-based MTJ through excited-electron transmission2022

    • 著者名/発表者名
      Harfah Halimah、Wicaksono Yusuf、Sunnardianto Gagus Ketut、Majidi Muhammad Aziz、Kusakabe Koichi
    • 雑誌名

      Nanoscale Advances

      巻: 4 号: 1 ページ: 117-124

    • DOI

      10.1039/d1na00272d

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Application of Monoatomic Boron Vacancy of Hexagonal Boron Nitride as Ultra-thin Van der Waals Magnetic Tunnel Junction2023

    • 著者名/発表者名
      Halimah Harfah, Yusuf Wicaksono, Gagus Ketut Sunnardianto, Muhammad Aziz Majidi, and Koichi Kusakabe
    • 学会等名
      the 71st JSAP Spring Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Spin-mechatronics device based on controllable mass gapped Dirac cone of graphene in aNi/hBN-graphene-hBN/Ni magnetic junction2022

    • 著者名/発表者名
      Yusuf Wicaksono, Halimah Harfah, Gagus Ketut Sunnardianto, Muhammad Aziz Majidi, and Koichi Kusakabe
    • 学会等名
      the 70th JSAP Spring Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Realizing a Novel Functionality on 2D Materials Based Magnetic Tunnel Junction2021

    • 著者名/発表者名
      Halimah Harfah, Yusuf Wicaksono, Gagus Ketut Sunnardianto, Muhammad Aziz Majidi, and Koichi Kusakabe
    • 学会等名
      Materials Info 2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High magnetoresistance of hexagonal boron nitride-graphene heterostructure-based MTJ through excited-electron transmission2021

    • 著者名/発表者名
      Halimah Harfah, Yusuf Wicaksono, Gagus Ketut Sunnardianto, Muhammad Aziz Majidi, and Koichi Kusakabe
    • 学会等名
      the 69th JSAP Spring Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Controlling the Gapped Dirac Cone of Graphene through Pseudospin to Achieve Colossal in-Plane Magnetoresistance2021

    • 著者名/発表者名
      Yusuf Wicaksono, Halimah Harfah, Gagus Ketut Sunnardianto, Muhammad Aziz Majidi, and Koichi Kusakabe
    • 学会等名
      Materials Info 2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] The Importance of Interface in Controlling Mass Gapped Dirac Cone of Graphene through Pseudospin via Magnetic Proximity Effect2021

    • 著者名/発表者名
      Yusuf Wicaksono, Halimah Harfah, Gagus Ketut Sunnardianto, Muhammad Aziz Majidi, and Koichi Kusakabe
    • 学会等名
      the 69th JSAP Spring Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-05-27   更新日: 2024-12-25  

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