Udvekslingsbias i van der Waals heterostrukturer

NUS-forskere har opdaget udvekslingsbias-fænomenet i van der Waals CrCl ₃ /Fe ₃ GeTe ₂ heterostrukturer. Exchange bias-fænomenet har en række anvendelser i magnetiske sensorer og magnetiske læsehoveder, som ikke er blevet rapporteret i van der Waals heterostrukturer før.

Udvekslingsbiaseffekten manifesterer sig som en forskydning af hysteresesløjfen til den negative eller positive retning i forhold til det påførte felt. Mekanismen tilskrives generelt en ensrettet fastgørelse af en ferromagnet (FM) af en tilstødende antiferromagnet (AF). Derfor, sammenlignet med en enkelt ferromagnet (frit lag) uden en sådan ensrettet pinning, et korrekt designet udvekslings-forspændt AF/FM-system (stiftet lag) har en foretrukken magnetiseringsretning og et relativt højt koblingsfelt. Dermed, en enhed bestående af et fastgjort og et frit lag, med en afstandsholder, kan tjene som en sensor for retningen og styrken af ​​det magnetiske felt. Enheden vil have to distinkte hukommelsestilstande ("1" og "0") defineret af magnetiseringen i det frie lag, enten parallelt eller antiparallelt med det fastgjorte lag. Sådan en enhed, velkendt som spinventiler og magnetiske tunnelforbindelser, bliver bredt indlejret i hukommelsesteknologier såsom lagringsmedier, udlæsningssensorer, og magnetisk random access memory.

Exchange bias-effekten er blevet replikeret i en bred vifte af AF/FM-grænseflader, for eksempel, IrMn/NiFe metal-dobbeltlagene, der er meget udbredt i kommercielle læsehoveder. Hvis disse AF/FM-dobbeltlagssystemer er lavet af magnetiske van der Waals-heterostrukturer, der udviser udvekslingsbias-effekt, det kunne være fordelagtigt for enhederne at nærme sig atomare tynde dimensioner og være mere fleksible.

Et team ledet af prof Andrew Wee, Institut for Fysik og Center for Avancerede 2D-materialer, NUS, har opdaget tilstedeværelsen af ​​udvekslingsbias-effekten i mekanisk eksfolieret CrCl ₃ /Fe ₃ GeTe ₂ , en van der Waals heterostruktur. Forskerne fremstillede en testanordning ved at overføre tynde flager af CrCl ₃ og Fe ₃ GeTe ₂ på en SiO ₂ /Si substrat. Den målte værdi af det forspændte felt for testenheden er over 50 mT (ved en temperatur på 2,5 K). Dette kan sammenlignes med rapporterede værdier i konventionel udvekslingsforspændt AF/FM metalliske flerlag. I øvrigt, det forspændte felt er meget afstembart og kan justeres ved at ændre feltafkølingsprocessen og tykkelsen af ​​heterostrukturen. Forskerholdet foreslog også en teoretisk model, der forklarer, at spin-konfigurationerne i CrCl ₃ spiller en afgørende rolle i udvekslingsbias-effekten i heterostrukturen.

"Vores observation er af enorm betydning, da den validerer eksistensen af ​​udvekslingsbias-effekten i en 2-D van der Waals-grænseflade, som behandler et nøglespørgsmål i 2D-forskningssamfundet, " sagde prof Wee.

Arbejdet er et samarbejde med professor Zhang Wen fra Northwestern Polytechnical University, Kina (en tidligere forsker i Prof Wee's gruppe) og Prof Zhai Ya fra Southeast University, Kina.

Næste, holdet sigter mod at inkorporere sådanne heterostrukturer i funktionelle fleksible enheder, med en stærkt reduceret tykkelse og en øget arbejdstemperatur.