Spin fotovoltaiske effekter i magnetiske van der Waals heterostrukturer

I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Tiancheng Song og et forskerhold ved afdelingen for fysik, University of Washington, OS., og materialer og nanoarkitektronik i Japan og Kina, detaljerede spin fotovoltaiske effekter i van der Waals (vdW) heterostrukturer af todimensionelle (2D) magnetiske chromtriiodid (CrI) ₃ ) klemt af grafenkontakter. Begrebet van der Waals krystaller og deres heterostrukturer er af interesse for materialevidenskab, anvendt fysik og optoelektronik, at udforske de optoelektroniske egenskaber inden for den todimensionelle (2D) grænse. Det er muligt at integrere 2D-magneter for at realisere 2D-spin-optoelektronik med kontrollerede spin-frihedsgrader. Fotostrømmen af ​​CrI ₃ udviste en tydelig afhængighed af lyshelicitet, hvilken Song et al. tunes ved at variere de magnetiske tilstande og fotonenergi. Forskningen fremhævede potentialet til at studere det nye fænomen fotospintronik ved at udvikle magnetiske vdW-heterostrukturer.

Spin fotovoltaiske effekter

Spintronics har til formål at regulere spin-frihedsgraden i elektroniske systemer for at lette nye funktioner. Generering og kontrol af spins kan åbne nye muligheder inden for spinelektronik til at udforske nye spin -fotovoltaiske effekter og spin -fotostrømme. Spin fotovoltaiske effekter kan realiseres ved hjælp af forskellige mekanismer i forskellige heterostrukturer, blandt hvilke todimensionelle materialer såsom overgangsmetal dichalcogenider er et lovende system for spin-optoelektronik. Opdagelsen af ​​2D van der Waals magneter har givet forskere en ny platform til at studere spin-fotovoltaiske effekter baseret på atom tynde materialer med iboende magnetisk orden. Af disse, chromtriiodid er af interesse på grund af dets lagdelte antiferromagnetisme (AFM), hvor spin-konfigurationerne kan reguleres af et omgivende magnetfelt. Feltet kan skifte prøven mellem AFM-grundtilstande og fuldt spin-polariserede tilstande via en række flip-overgange. Opsætningen giver en ideel platform til at fremhæve de spin-optoelektroniske effekter ved den atomare tynde grænse.

Forskerne udviklede en lodret heterostruktur for at studere fotostrømmens respons af CrI ₃ og for at muliggøre effektiv fotodetektion. Heterostrukturen indeholdt et atomtyndt CrI ₃ flage indlejret af to grafenplader som forspændingselektroder indkapslet af tyndt hexagonalt bornitrid for at forhindre nedbrydning. Ved hjælp af fotostrømmikroskopi, Song et al. undersøgte yderligere den rumlige fordeling af fotostrømmen og brugte reflekterende magnetisk cirkulær dikroisme til at kortlægge trilaget CrI ₃ flage, hvor fotostrømsvaret viste en stærk afhængighed af magnetisk orden. Holdet tildelte lav og høj fotostrøm plateauer til antiferromagnetisme grundtilstande og til de fuldt spin-polariserede tilstande. Forholdsvis, de mellemliggende magnetiske tilstande resulterede i en lavere fotostrøm. Den optiske excitation genererede fotoexciterede bærere i ledningsbåndene, hvor asymmetrisk ekstraktion af de øverste og nederste grafenelektroder resulterede i den målte fotostrøm. Den spin-optoelektroniske enhed, der præsenteres her, gav en ny foto-magnetostrøm-effekt sammenlignet med gigantiske magnetoresistens- og tunnelmagnetoresistensenheder. Den resulterende gigantiske og justerbare fotomagnetostrøm var nyttig til optisk drevet magnetisk sensing og datalagringsenheder.

Fotostrømmens afhængighed af lyshelicitet og andre effekter

Song et al. viste fotokurrens afhængighed af lys helicitet ved hjælp af et trilayer CrI ₃ enhed med 1,96 eV excitation. Den resulterende unikke fotovoltaiske spin-effekt stammer fra helicitetsafhængigheden af ​​ladningsoverførselsexcitoner i CrI ₃ koblet til den underliggende magnetiske orden. Helicitetsafhængighedsabsorptionen af ​​enheden afslørede de optiske udvælgelsesregler for ladningsoverførselsovergangene mellem de spin-polariserede valens- og ledningsbånd for at danne den resulterende hastighedsafhængige fotovoltaiske spin-effekt. Yderligere observationer bekræftede også, at den underliggende magnetiske rækkefølge var oprindelsen til helicitetsafhængigheden af ​​ladningsoverførselseksitonerne.

Outlook

På denne måde Tiancheng Song et al. studerede spin -fotovoltaiske effekter i atomtyndt CrI ₃ van der Waals heterostrukturer. Fotostrømmene viste tydelige reaktioner på spin-konfigurationerne i CrI ₃ sammen med en kæmpe foto-magnetostrøm effekt. De kombinerede helicitetsafhængige fotostrøm og cirkulære polarisationsopløste absorptionsmålinger afslørede samspillet mellem spin fotostrømmen og de underliggende excitoner, samt bidrag fra den magnetiske orden, foton energi og helicitet. Den 2D-fotovoltaiske enhed, der er udviklet her, brugte den iboende magnetiske rækkefølge i få lag CrI ₃ som et proof-of-concept. Den resulterende atomisk tynde CrI ₃ dannede en arketypisk 2D-magnet til at studere fotostrømmen genereret i en lodret forbindelsesenhed. Enheden kan tilpasses med alternative 2D-magneter til potentielle anvendelser inden for magnetisk registrering og datalagring. Den underliggende dynamik af magnetiske ordenskoblede ladningsoverførselsexcitontilstande kunne generere en fotostrøm for at sondere den magnetiske orden i CrI ₃ og viser tydelige reaktioner på fotonenergi og helicitet. Resultaterne fremhæver anvendelser af fotostrømmen som en ny metode til at undersøge magnetisk orden, ladningsoverførsel exciton tilstande og magnetoexciton-foton kobling. Tilgangen kan bruges til at studere andre 2D magnetiske systemer, herunder dynamikken i zig-zag antiferromagnetiske ordenskoblede excitoner og ladningsoverførselsprocesser ved grafengrænseflader.

© 2021 Science X Network