Transformation af en lagdelt ferromagnet til fremtidig spintronik

Et RMIT-ledet internationalt samarbejde offentliggjort i denne uge har opnået rekordhøj elektrondoping i en lagdelt ferromagnet, forårsager magnetisk faseovergang med væsentligt løfte for fremtidig elektronik

Styring af magnetisme (eller spin-retninger) ved hjælp af elektrisk spænding er afgørende for udvikling af fremtiden, lavenergi højhastigheds nanoelektroniske og spintroniske enheder, såsom spin-orbit-drejningsmomentenheder og spin-felteffekttransistorer.

Ultra-høj opladning, doping-induceret magnetisk faseovergang i en lagdelt ferromagnet muliggør lovende anvendelser i antiferromagnetiske spintroniske enheder.

FLEET-samarbejdet mellem forskere ved RMIT, UNSW, University of Wollongong og FLEET-partneren High Magnetic Field Laboratory (Kina) demonstrerer for første gang, at ultrahøj elektrondopingkoncentration (over 10 ²¹ cm ^-3 ) kan induceres i det lagdelte van der Waals (vdW) metalliske materiale Fe ₅ GeTe ₂ ved proton interkalation, og kan yderligere forårsage en overgang af den magnetiske grundtilstand fra ferromagnetisme til antiferromagnetisme.

Tuning magnetisme i VDW ferromagnet Fe ₅ GeTe ₂ (F ₅ GT)

Fremkomsten af ​​lagdelte, vdW magnetiske materialer har fremskyndet en voksende søgning efter nye vdW spintronic-enheder.

Sammenlignet med omrejsende ferromagneter, antiferromagneter (AFM'er) har unikke fordele som byggesten til sådanne fremtidige spintroniske enheder. Deres robusthed over for omstrejfende magnetiske felter gør dem velegnede til hukommelsesenheder, og de AFM-baserede spin-orbit momentenheder kræver en lavere strømtæthed end i ferromagneter.

Men i øjeblikket er vdW omrejsende antiferromagneter stadig få.

Udover direkte syntetisering af en vdW antiferromagnet, en anden mulig metode til denne funktion er at inducere en magnetisk faseovergang i en eksisterende vdW-omvandrende ferromagnet.

"Vi valgte at arbejde med nysyntetiseret vdW omrejsende ferromagnet Fe ₅ GeTe ₂ (F5GT)" siger undersøgelsens første forfatter, FLEET-forsker Dr. Cheng Tan (RMIT).

"Vores tidligere erfaring med Fe ₃ GeTe ₂ ( Naturkommunikation 2018) gjorde det muligt for os hurtigt at identificere og evaluere materialets magnetiske egenskaber, og nogle undersøgelser indikerer Fe ₅ GeTe ₂ er følsom over for lokale atomarrangementer og mellemlagsstablingskonfigurationer, hvilket betyder, at det ville være muligt at inducere en faseovergang i det ved doping, " siger Cheng.

Holdet undersøgte først de magnetiske egenskaber i Fe ₅ GeTe ₂ nanoplader af forskellig tykkelse ved elektrontransportmålinger.

Imidlertid, de indledende transportresultater viser også, at elektrontætheden i Fe ₅ GeTe ₂ er høj som forventet, hvilket indikerer, at magnetismen er svær at blive moduleret af traditionel gate-spænding på grund af den elektriske skærmeffekt i metal:

"På trods af den høje ladningstæthed i Fe ₅ GeTe ₂ , vi vidste, at det var værd at prøve at tune materialet via protonisk gating, som vi tidligere har opnået i Fe ₃ GeTe ₂ ( Fysiske anmeldelsesbreve 2020), fordi protoner let kan trænge ind i mellemlaget og inducere doping med stor ladning, uden at beskadige gitterstrukturen, " siger medforfatter Dr. Guolin Zheng (også hos RMIT).

Fremstilling af den solide protoniske felteffekttransistor (SP-FET)

Som alle forskere uden for CMOS-klassisk databehandling, holdet søger at bygge en forbedret form for transistoren, switchene, der udgør den binære rygrad i moderne elektronik.

En solid protonisk felteffekttransistor (SP-FET) er en, der skifter baseret på indsættelse (interkalation) af protoner. I modsætning til traditionelle proton-FET'er (som skifter ved at dyppe væske, og betragtes som lovende kandidater til at bygge bro mellem traditionel elektronik og biologiske systemer. ), SP-FET er solid, og dermed velegnet til brug i rigtige enheder

SP-FET har vist sig at være meget kraftfuld til at tune tykke metalliske materialer (dvs. det kan inducere store ladningsdopingniveauer), som er meget vanskelige at modulere via traditionelle dielektrisk-baserede eller ion-væske-gating-teknikker (på grund af elektrisk screeningseffekt i metal).

Ved at fremstille en solid protonisk felteffekttransistor (SP-FET) med Fe ₅ GeTe ₂ , holdet var i stand til dramatisk at ændre bærertætheden i Fe ₅ GeTe ₂ og ændre dens magnetiske jordtilstand. Yderligere tæthedsfunktionel teoriberegning bekræftede de eksperimentelle resultater.

"Alle prøverne viser, at den ferromagnetiske tilstand gradvist kan undertrykkes ved at øge protoninterkalation, og til sidst ser vi flere prøver, der ikke viser nogen hysterese-løkker, som angiver ændringen af ​​den magnetiske jordtilstand, de teoretiske beregninger stemmer overens med de eksperimentelle resultater, " siger Cheng.

"Succesen med at realisere en AFM-fase i metallisk vdW ferromagnet Fe ₅ GeTe ₂ nanosheets udgør et vigtigt skridt hen imod vdW antiferromagnetiske enheder og heterostrukturer, der fungerer ved høje temperaturer, " siger medforfatter A/Prof Lan Wang (også hos RMIT).

"Igen, dette viser, at vores protoniske gate-teknik er et stærkt våben i elektrontransporteksperimenter, og sandsynligvis på andre områder godt."

Studiet

"Gate-styret magnetisk faseovergang i en van der Waals magnet Fe ₅ GeTe ₂ " blev offentliggjort i Nano bogstaver i juni 2021.

Samt støtte fra Australian Research Council, støtte blev også ydet af Natural Science Foundation of China, Kinas nationale nøgleforsknings- og udviklingsprogram, de grundlæggende forskningsmidler for de centrale universiteter, det Collaborative Innovation Program for Hefei Science Center og High Magnetic Field Laboratory (Kina).

Eksperimentel forskning blev udført på RMIT Micro Nano Research Facility (MNRF) i Victorian Node af Australian National Fabrication Facility (ANFF) og RMIT Microscopy and Microanalysis Facility (RMMF), samt High Magnetic Field Laboratory (Anhui, Kina).

Spintronic-enheder studeres inden for Enabling technology B på FLEET, et Australian Research Council Center of Excellence. Center for Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) samler over hundrede australske og internationale eksperter, med den fælles mission at udvikle en ny generation af ultra-lavenergielektronik. Drivkraften bag et sådant arbejde er den stigende udfordring med energi, der bruges i beregninger, som bruger 5-8 % af den globale elektricitet og fordobles hvert årti.