Van der Waals (VDW) materiale viser de rigtige ting ved 200 nanometer

Van der Waals (vdW) materialers usædvanlige elektroniske og magnetiske egenskaber, består af mange 'stablede' 2-D lag, tilbyder potentiale for fremtidens elektronik, inklusive spintronik.

I en nylig undersøgelse, FLEET-forskere ved RMIT fandt ud af, at et lovende kandidatmateriale, Fe ₃ GeTe ₂ (FGT), passer til regningen – forudsat at den er lavet i lag på kun 200 milliontedele af en millimeter i tykkelse.

Dette banebrydende arbejde baner vejen for et nyt forskningsfelt, nemlig vdW heterostruktur baseret spintronics.

Todimensionelle vdW-materialer er potentielle byggesten til nye, højtydende elektronisk, elektro-optisk, og fotoniske enheder.

Imidlertid, deres anvendelse i spintronics har været begrænset, fordi så få materialer udviser de nødvendige magnetiske egenskaber.

Til seriøs overvejelse inden for spintronics, et vdW ferromagnetisk metal med hårde magnetiske egenskaber og en næsten firkantet hystereseløkke er uundværlig. Vinkelret magnetisk anisotropi er også gunstig.

FLEETs RMIT-forskere udførte unormale Hall-effektmålinger på enkelt-krystal Fe ₃ GeTe ₂ (FGT) nanoflager, opløsning af de ønskede magnetiske egenskaber, når tykkelsen af ​​prøven blev reduceret til mindre end 200 nm.

Forskerne var motiverede til at undersøge FGTs forbedrede egenskaber ved atomisk tynde tykkelser.

"FGT har længe været betragtet som et lovende vdW ferromagnetisk metal", forklarer hovedforfatter Cheng Tan. "Men dens ferromagnetiske egenskaber (et meget lille MR/MS-forhold og koercitivitet ved alle temperaturer) antydede begrænset potentiale som byggesten for vdW magnetiske heterostrukturer".

Imidlertid, disse egenskaber afhænger stærkt af tykkelsesafhængig domænestruktur, og molekylær stråleepitaksi (MBE)-dyrket, FGT tynde film i wafer-skala har forbedrede magnetiske egenskaber.

"Så vi reducerede tykkelsen og blev ved med at måle, " forklarer Tan.

Hall effektmålinger på enkeltkrystal FGT nanoflakes viste, at magnetiske egenskaber er meget afhængige af tykkelse, og at ved at reducere tykkelsen til mindre end 200 nm, de nødvendige egenskaber kan opnås, gør vdW FGT til et ferromagnetisk metal velegnet til vdW heterostruktur-baseret spintronik.

Andre forskere vil bygge videre på resultaterne.

For bedre at identificere andre kandidatmaterialer, forskerne udviklede en model, der kan generaliseres til vdW ferromagnetiske tynde film eller nanoflakes, som vil åbne nye forskningsveje for dem, der studerer den mulige eksistens af magnetisk kobling mellem vdW atomlag.

"Det er spændende, banebrydende arbejde, " siger forskningstemaleder Lan Wang. "Og det baner vejen for et nyt forskningsfelt:vdW heterostruktur-baseret spintronik".

Stablet med andre vdW nanoflakes, Fe ₃ GeTe ₂ nanoflakes kan bruges i en række forskellige enheder, der udviser gigantisk magnetoresistens og tunneling magnetoresistens. Spin orbit drejningsmoment og spin felt effekt transistor enheder er yderligere muligheder.

Der er mulighed for at designe og fremstille mange enheder baseret på vdW-magneter. For eksempel, magnetiserende 2-D topologiske isolatorer, eller stabling af vdW ferromagnetiske metaller til spin-orbit momentenheder.

Undersøgelsen Hårde magnetiske egenskaber i nanoflake van der Waals Fe ₃ GeTe ₂ , udgivet i Naturkommunikation i april, blev vist frem i april Naturkommunikation Redaktørernes højdepunkter for kondenseret stof-fysik, valgt af Natur redaktør Yu Gong (magnetiske materialer og spintronik).

Ud over Center of Excellence-finansiering fra Australian Research Council, forskning blev støttet af Institute for Information &Communications Technology Promotion (IITP), det grundlæggende videnskabelige forskningsprogram, og National Research Foundation (NRF) i Korea.

FLÅDE &nanofabrikation

Wang, Tan og Albarakati er medlemmer af FLEET, et australsk regeringsfinansieret forskningscenter, der udvikler en ny generation af ultra-lavenergielektronik.

FLEETs forskning sidder på selve grænsen af, hvad der er muligt inden for kondenseret stoffysik. Nanofabrikation af fungerende enheder vil være nøglen til centrets succes, koordineret inden for FLEET via Enabling technology B, ledet af Lan Wang og forbinder hvert af centrets tre forskningstemaer.

FLEET kombinerer australsk styrke inden for mikro- og nanofabrikation med verdensførende ekspertise inden for van der Waals heterostrukturfremstilling for at opbygge kapaciteten til avanceret atomisk tynde enhedsfremstilling.

Wangs gruppe på RMIT udviklede for nylig metoder til at bygge sådanne strukturer i nanoskala, kræves for at opnå nul-dissipation elektrisk strøm, bestående af to stablede, 2-D halvledere.

Bundet sammen af ​​van der Waals (vdW) kræfter, og omfatter tvillinger, uensartede, atomisk tynde lag, sådanne strukturer er kendt som van der Waals heterostrukturer.

Disse nanostrukturer er nøglen til FLEETs forskningstema 1 (topologiske materialer) og forskningstema 2 (exciton-supervæsker).