Energieeffiziente zweidimensionale Prozess-in-Speicher-Gerät

Die Bewegung von negativ geladenen Elektronen erzeugt einen Ladungsstrom in Leitern - heutzutage funktionieren elektronische Bauteile wie Dioden, Transistoren und selbst Computerprozessoren durch die Manipulation dieses Ladungsstromes. Jedoch umkreisen Elektronen nicht nur den positiv geladenen Atomkern, sondern drehen sich auch um ihre eigene Achse, dies führt zu einem quantenmechanischen Freiheitsgrad, der als Spin bezeichnet wird. Je nach Drehrichtung ob im- oder gegen den Uhrzeigersinn - wird der Spin eines Elektrons als auf oder ab bezeichnet. Die für Speicheranwendungen wie Festplattenlaufwerke oder magnetoresistive RAMs weit verbreiteten magnetischen Bauelemente nutzen den Spin der Elektronen, indem sie einen spinpolarisierten Ladungsstrom manipulieren, welcher im Gegensatz zum einem reinen Ladungsstrom eine Mehrheit an Elektronen mit auf- beziehungsweise abwärts gerichteten Spin besitzt. Spinbasierte Speicher sind eine attraktive Technologie, da sie sowohl nicht flüchtig als auch sehr langlebig sind. Jedoch weisen sie nur geringe Widerstandsänderungen auf, wohingegen logische Halbleitertransistoren, wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren, eine große Widerstandsänderung bieten, dafür aber keine Speicherfunktion haben. Bei beiden Ansätzen bleiben die Nichtflüchtigkeit der Daten und die Energieeffizienz wichtige Probleme, die gelöst werden müssen. Durch die Kombination des Spins mit der Orbitalbewegung der Elektronen, die in Festkörpern als Spin-Bahn-Kopplung bekannt ist, können indessen in nichtmagnetischen Materialien wie Metallen und Halbleitern verlustfreie reine Spinströme erzeugt werden, bei denen sich nur die Spins, nicht aber die Ladungen bewegen. Es wird erwartet, dass dieser Ansatz zur Nutzung der Spin-Bahn-Kopplung zur Entwicklung einer neuen Technologie führen wird, der Spin-Bahn- Elektronik. Dabei wird das Spin-Bahn-Drehmoment an den Grenzflächen zwischen magnetischen- und nichtmagnetischen Schichten genutzt, wodurchnichtflüchtige, energieeffiziente elektronische Geräte realisiert werden können. Insbesondere die Entwicklung von atomar- dünnenzweidimensionalen(2D) Materialienhat bereits zur Realisierungvon Quantenbauelementen geführt, die nicht nur energieeffizient sind, sondern auch die bestehende Siliziumtechnologie ergänzen. In diesem Projekt wird ein Spin-Orbit-Drehmoment-gesteuerter Feldeffekttransistor (SOTdFET) bestehend aus einer 2D-van-der-Waals-Heterostruktur entworfen und realisiert, um Prozess-in- Speicher-Bauelemente (PiM) mit geringem Stromverbrauch und somit erhöhter Nachhaltigkeit zu schaffen, welche außerdem eine hohe Langlebigkeit und Integrierbarkeit in die bestehende CMOS- Architektur (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) bieten. Die Ergebnisse des Projekts werden alternative Ansätze für Boolesche Logikoperationen liefern, indem hybride 2D- Materialien als Bausteine für künftige Quantenprozessoren und quantenspintronische Geräte genutzt werden.