Kvantificering af crossover fra overflade til bulk egenskaber i vigtige spintroniske materialer

Det ekspanderende felt af spintronics lover en ny generation af enheder ved at drage fordel af elektronens spin-frihedsgrad ud over dens ladning for at skabe nye funktionaliteter, som ikke er mulige med konventionel elektronik. Den gigantiske magnetoresistens (GMR)-effekt (2007 Nobelprisen i fysik) er et paradigmatisk eksempel på en spintronikapplikation. Da grænsefladen mellem de magnetiske og ikke-magnetiske materialer er en nøglekomponent i enhver sådan enhed, det er afgørende at karakterisere og forstå både overflade og bulk elektroniske og magnetiske egenskaber.

I en nylig udgivelse i Naturkommunikation , et joint venture mellem teoretikere, eksperimentalister og prøvedyrkere ledet af en gruppe fra National Research Council (CNR) Trieste, Italien, rapporterer en systematisk fotoemissionsspektroskopiundersøgelse af to repræsentative materialer til spintronikapplikationer, (Ga, Mn)As og La1-xSrxMnO3. Ved at bruge fotonenergien fra den indfaldende synkrotronstråling fra overflade- og grænsefladestrukturanalyse-strålelinjen (I09) ved Diamond Light Source som et dybdeprofileringsværktøj, de var i stand til at kvantificere variationen i styrken af ​​den magnetiske orden og den elektriske ledning fra overfladen og ned i hovedparten af ​​materialet. Denne undersøgelse fastslår overfladernes forskellige egenskaber sammenlignet med bulken og de karakteristiske 'kritiske' dybder, der er nødvendige for at genoprette bulkegenskaberne, som er afgørende informationer for designet af enhver spintronic-enhed baseret på disse materialer.

Materialeudfordring til spintronics-applikationer

Moderne elektronik er afhængig af evnen til at styre strømme i solid state-enheder såsom transistorer og dioder. Imidlertid, ud over deres ansvar, elektroner har en anden kvantemekanisk egenskab kendt som 'spin', som er ansvarlig for fænomenet magnetisme. I materialer, der anvendes til konventionel elektronik, såsom silicium, spindet er en overflødig grad af frihed, men målet med det nye felt af spintronics er at være i stand til at skabe enheder, hvor både ladnings- og spinstrømme kan styres samtidigt, giver mulighed for en ny generation af logik- og hukommelsesenheder.

Enhver potentiel spintronisk enhed skal inkorporere et materiale, der er både magnetisk og elektrisk ledende, muliggør udbredelse af en 'spinstrøm'. I store træk, to 'doping' tilgange til denne materialeudfordring er tænkelige – enten ved at introducere magnetiske elementer såsom mangan i en ellers ikke-magnetisk halvleder, såsom (Ga, Mn)As, eller ved at introducere ekstra transportører ved, for eksempel, at erstatte nogle lanthanatomer med et strontium, derved donere en yderligere elektron i La1-xSrxMnO3; i begge tilfælde, man kan inducere magnetisme. Ved at kontrollere den kemiske sammensætning, det er muligt at tune og optimere materialets bulkegenskaber, inklusive bærertætheden og den kritiske temperatur, under hvilken materialet er magnetisk (eller for at være præcis, ferromagnetisk). Imidlertid, hvis disse materialer skal bruges i praktiske anordninger, de vil blive brugt i grænseflader med andre komponenter, og derfor er det afgørende vigtigt også at forstå, hvordan egenskaberne af materialets overflader kan afvige fra adfærden dybt inde i prøvens bulk. I øvrigt, det er altafgørende at kvantitativt bestemme længdeskalaen, over hvilken de fuldt bulk-lignende egenskaber udvikler sig.

Dybdeafhængig information fra fotoelektronspektroskopi ved I09

Eksperimentelt at udtrække dybdeafhængig information om elektronernes metalliske karakter er ikke nogen let bedrift. Imidlertid, teoretiske beregninger udført som en del af denne undersøgelse fastslog, at graden af ​​'metallicitet' indirekte kunne undersøges via en måling kendt som fotoemissionsspektroskopi. Disse beregninger blev udført af professor Gerrit van der Laan fra Diamond og professor Munetaka Taguchi fra Spring8 og NAIST, Japan. I denne teknik, en stråle af røntgenstråler skinner på prøven af ​​interesse, sparker elektroner ud, som omtales som fotoelektronerne. Energiprofilen af ​​disse fotoelektroner afslører information om de elektroniske tilstande inde i prøven, og det blev vist, at en smal 'satellit'-funktion placeret ved siden af ​​de mere konventionelle toppe, der stammer fra elektroner i en bestemt '2p'-skal af mangan, kunne fortolkes som et tydeligt fingeraftryk af tilstedeværelsen af ​​metallisk adfærd.

Da fotoelektronerne skal ud af prøven gennem dens overflade for at blive detekteret, man kunne forvente, at teknikken ville være mest følsom over for elektrontilstande nær overfladen af ​​prøven. Dette er generelt rigtigt, men ved at tune energien af ​​den indkommende røntgenstråle kan man variere den karakteristiske længdeskala, der sonderes i målingen. Med røntgenstråler med højere energi, de udstødte fotoelektroner har også højere energi, og kan forlade prøven dybere inde i materialet.

Det er her Surface and Interface Structural Analysis beamline (I09) hos Diamond Light Source kommer ind. I09 er en meget alsidig beamline, hvor fotoelektronspektroskopimålinger kan udføres med fremragende opløsning, høj stråleintensitet, og - afgørende for denne undersøgelse - en unik bred vifte af røntgenenergier. Disse funktioner giver forskerne mulighed for at måle enten overfladefølsomme ved lave energier, eller at bruge høje energier til at se dybt ind i hovedparten af ​​prøven, med alle andre eksperimentelle overvejelser holdt konstant (bemærk, at 'dyb' i denne sammenhæng stadig er omkring 500 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår!). "I vores målinger ved I09 var vi i stand til at kvantificere og spore de fine detaljer af den elektroniske struktur inden for det samme materiale som en funktion af dybden, fra overfladen til bulken" beskrev Tommaso Pincelli, en ph.d.-studerende fra CNR, Trieste og en hovedforfatter af undersøgelsen.

Materialeafhængige længdeskalaer – men overfladen er altid anderledes

Ved at udføre disse energiafhængige fotoelektronspektroskopimålinger på (Ga, Mn)As og La1-xSrxMnO3, forskerne var i stand til at påvise, at den metalliske adfærd i bulken var stærkt undertrykt ved overfladen. De to forskellige materialer viste forskellige karakteristiske længdeskalaer, der var nødvendige for at udvikle bulk-lignende egenskaber:henholdsvis 1,2 nm og 4 nm. Disse er afgørende parametre for at designe enhver spintronisk enhed baseret på disse materialer:det er ikke kun nødvendigt, at man kan konstruere den fysiske atomare struktur med sub-nanometer præcision, men variationen af ​​elektroniske egenskaber over disse længdeskalaer er også vigtig. "Disse elektroniske længdeskalaer er ret betydningsfulde og skal tages i betragtning ved udformningen af ​​fremtidige enheder," konkluderede Dr. Giancarlo Panaccione, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen.