Manipulerende mellemlagsmagnetisk kobling i van der Waals heterostrukturer

Et RMIT-ledet internationalt samarbejde har for første gang observeret en elektrisk gate-styret udvekslings-bias-effekt i van der Waals (vdW) heterostrukturer, hvilket tilbyder en lovende platform for fremtidig energieffektiv, ud over CMOS-elektronik.

Exchange-bias-effekten (EB), som stammer fra mellemlagsmagnetisk kobling, har spillet en væsentlig rolle i fundamental magnetik og spintronik siden dens opdagelse.

Selvom manipulation af EB-effekten ved hjælp af en elektronisk port har været et væsentligt mål inden for spintronics, er der indtil nu kun blevet påvist meget begrænsede elektrisk tunerbare EB-effekter.

Elektriske gate-manipulerede EB-effekter i AFM-FM-strukturer muliggør skalerbar energieffektiv spin-orbit-logik, hvilket er meget lovende for enheder uden for COMS i fremtidige elektroniske teknologier med lav energi.

Den "blokerende" temperatur af EB-effekten kan effektivt indstilles via en elektrisk gate, som ville gøre det muligt for EB-feltet at blive slået "ON" og "OFF" i fremtidige spintroniske transistorer.

Det FLEET-ledede samarbejde mellem forskere ved RMIT University (Australien) og South China University of Technology (Kina) bekræfter for første gang den elektriske styring af EB-effekten i en vdW-heterostruktur.

Realisering af udvekslingsbias-effekter i AFM-FM-heterostrukturer

Fremkomsten af ​​vdW magnetiske materialer booster udviklingen af ​​vdW magnetiske og spintroniske enheder og giver en ideel platform til at udforske iboende magnetiske koblingsmekanismer til grænseflader.

Manipulering af EB-effekten, som stammer fra AFM-FM-grænsefladekoblingen induceret ensrettet anisotropi, ved hjælp af en elektronisk gate er et væsentligt mål inden for spintronik. Til dato er meget begrænsede elektrisk afstembare EB-effekter blevet eksperimentelt demonstreret i nogle oxid multiferroiske tyndfilmsystemer. Selvom vdW magnetiske heterostrukturer har givet forbedrede platforme til at undersøge EB-effekter, har disse heterostrukturer endnu ikke udvist elektrisk gate-kontrollerede EB-effekter.

"Vi havde fået meget erfaring med vdW heterostruktur-baserede nano-enheder, og vi besluttede, at det var på tide for os at bruge nogle metoder, såsom elektriske porte, til at kontrollere magnetiske egenskaber i FM/AFM-dobbeltlag," siger undersøgelsens første forfatter, FLEET Forskningsstipendiat Dr. Sultan Albarakati (RMIT).

"Desuden er vi bekendt med protoninterkalation, som er et effektivt værktøj til at modulere materialers ladningstæthed."

Holdet designede en nano-enhedsstruktur med et trelags FM/AFM/fast protonleder og valgte et vdW-materiale med højere Neel-temperatur, FePS₃ , for at tjene som AFM-laget.

"Valget af FM-lag var lidt vanskeligt," siger medforfatter Dr. Cheng Tan (RMIT).

"Baseret på vores tidligere resultater kan EB-effekten forekomme i proton-interkaleret Fe₃ GeTe₂ , mens i Fe₅ GeTe₂ (F5GT) af forskellige tykkelser, kan protoninterkalationen ikke resultere i nogen EB-effekter. Derfor vælger vi F5GT som FM-laget," siger Cheng.

Den resulterende heterostruktur omfattede således:

• Antiferromagnetisk (AFM) lag FePS₃ (FPS)
• Ferromagnetisk (FM) lag Fe₅ GeTe₂ (F5GT)

Generelt betragtes EB-effekten som en grænsefladeeffekt og forventes at aftage, hvis tykkelsen af ​​FM-laget øges. Mens de tyndere F5GT nano-flager (<10 nm) kan generere ekstremt stor koercitivitet (H_c ~2 T) på grund af den intralagsdefekte pinning, gør dette det sværere at generere EB-effekt i et FM/AFM-dobbeltlag, fordi energibarrieren induceret af defektpinning potentielt er større end den fra ensrettet anisotropi.

"Vores eksperimentelle observationer er i overensstemmelse med dette," forklarer medforfatter Dr. Guolin Zheng (RMIT). "Der er ingen forekomst af EB-effekter, når tykkelsen af ​​F5GT er mindre end 10 nm. Heldigvis finder vi efter mange test, at EB-effekten kan overleve i FPS-F5GT heterogrænseflader, når tykkelsen af ​​F5GT-laget er inden for området 12 nm til 20 nm."

"Så kunne vi yderligere udforske virkningerne af protoninterkalationer i FPS-F5GT." siger Guolin.

Elektrisk styring af udvekslingsbiaseffekten via protoninterkalation

Holdet udførte derefter protoninterkalationen med succes i FPS-F5GT og observerede skiftet af EB-felter under forskellige gate-spændinger.

"Blokeringstemperaturen for EB-effekten kan tunes effektivt via elektrisk port. Og mere interessant er det, at EB-feltet kan slås 'ON' og 'OFF' gentagne gange under forskellige gate-spændinger," siger Guolin.

Yderligere teoretiske beregninger udført af samarbejdspartner fra South China University of Technology bekræfter yderligere, at protoninterkalationerne ikke kun tuner den gennemsnitlige magnetiske udvekslingskobling, men også ændrer de antiferromagnetiske konfigurationer i FePS₃ lag.

"De gate-afhængige EB-effekter kan forklares godt baseret på vores beregninger," siger den bidragende forfatter A/Prof Lan Wang (også ved RMIT). "Under forskellige protoninterkalationer, den berørte AFM-FM koblingsinducerede envejs anisotropi energi og transformationen af ​​FPS₃ mellem en ukompenseret AFM og en kompenseret AFM fører til de forskellige interessante fænomener."

"Igen er denne undersøgelse et væsentligt skridt hen imod vdW heterostruktur-baseret magnetisk logik til fremtidig lavenergielektronik."

Undersøgelsen blev offentliggjort i Nano Letters . + Udforsk yderligere

Omdannelse af en lagdelt ferromagnet til fremtidig spintronik