Risposta fotocorrente del dispositivo di giunzione CrI3. (A) Schema di un dispositivo di giunzione CrI3 a quattro strati in stato fondamentale AFM (↑↓↑↓), con contatti in grafene superiore e inferiore e incapsulamento in hBN. (B) Curve I-V di una giunzione CrI3 a quattro strati (D2) in condizioni di oscurità (curva nera) e con 1 μW di eccitazione laser a 1,96 eV (curva rossa). Il riquadro è una vista ingrandita della fotocorrente generata a polarizzazione zero Iph e tensione a circuito aperto Voc. (C) Riflettanza differenziale (ΔR/R; punti neri) e fotocorrente (Iph; quadrati blu) in funzione dell'energia del fotone per CrI3 a tre strati (3L) a -2 T. La fotocorrente viene misurata da un dispositivo di giunzione CrI3 a tre strati (D1 ) con una potenza ottica di 10 μW. (D) Immagine di microscopia ottica del dispositivo di giunzione 3L CrI3 (D1). Barra della scala, 5 micron. (E e F) Mappe spaziali del segnale fotocorrente e RMCD misurato dallo stesso dispositivo a 0 T con una potenza ottica di 1 μW. Barre della scala, 5 micron. Credito:progressi scientifici, 10.1126/sciadv.abg8094
In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Tiancheng Song e un gruppo di ricerca presso il dipartimento di fisica, Università di Washington, NOI., e materiali e nanoarchitettura in Giappone e Cina, effetti fotovoltaici di spin dettagliati in eterostrutture van der Waals (vdW) di triioduro di cromo magnetico bidimensionale (2D) (CrI 3 ) racchiuso da contatti di grafene. Il concetto di cristalli di van der Waals e le loro eterostrutture sono di interesse nella scienza dei materiali, fisica applicata e optoelettronica, per esplorare le proprietà optoelettroniche entro il limite bidimensionale (2D). È possibile integrare magneti 2D per realizzare spin-optoelettronica 2D con gradi di libertà di spin controllati. La fotocorrente del CrI 3 mostrato una netta dipendenza dall'elicità della luce, quale canzone et al. sintonizzato variando gli stati magnetici e l'energia dei fotoni. La ricerca ha evidenziato il potenziale per studiare il fenomeno emergente della fotospintronica progettando eterostrutture magnetiche vdW.
Effetti fotovoltaici di spin
La spintronica mira a regolare il grado di libertà di spin nei sistemi elettronici al fine di facilitare nuove funzioni. La generazione e il controllo degli spin possono aprire nuove opportunità emergenti nell'elettronica di spin per esplorare nuovi effetti fotovoltaici di spin e fotocorrenti di spin. Gli effetti fotovoltaici di spin possono essere realizzati utilizzando diversi meccanismi in varie eterostrutture, tra i quali i materiali bidimensionali come i dicalcogenuri di metalli di transizione sono un sistema promettente per l'optoelettronica di spin. La scoperta dei magneti 2D van der Waals ha fornito agli scienziati una nuova piattaforma per studiare gli effetti fotovoltaici di spin basati su materiali atomicamente sottili con un ordine magnetico intrinseco. Di questi, il triioduro di cromo è interessante per il suo antiferromagnetismo a strati (AFM), dove le configurazioni di spin possono essere regolate da un campo magnetico circostante. Il campo può commutare il campione tra gli stati fondamentali AFM e gli stati completamente spin-polarizzati tramite una serie di transizioni flip. La configurazione fornisce una piattaforma ideale per evidenziare gli effetti spin-optoelettronici al limite atomicamente sottile.
Dipendenza dall'elicità della fotocorrente in CrI3 a tre strati. (A) Fotocorrente in funzione dell'angolo della lamina a quarto d'onda per lo stato (2 T, punti rossi) e stato (-2 T, punti neri) misurata dal dispositivo di giunzione CrI3 a tre strati (D1) con una potenza ottica di 10 μW. Le frecce verticali rappresentano la luce polarizzata linearmente. (B) La variazione della fotocorrente [ΔIph [σ+ − σ−] =Iph(σ+) − Iph(σ−)] in funzione di μ0H misurata dallo stesso dispositivo con una potenza ottica di 10 μW. Il grado di elicità ΔIph [σ+ − σ−]/(Iph(σ+) + Iph(σ−) indicato sull'asse destro. I riquadri mostrano gli stati magnetici corrispondenti e lo schema del dispositivo con eccitazione della luce polarizzata circolarmente. (C) RMCD in funzione di μ0H per lo stesso dispositivo I riquadri mostrano gli stati magnetici corrispondenti e l'immagine al microscopio ottico del dispositivo (D1) Barra della scala, 15 micron. Credito:progressi scientifici, 10.1126/sciadv.abg8094 
I ricercatori hanno sviluppato un'eterostruttura verticale per studiare la risposta fotocorrente di CrI 3 e per consentire un fotorilevamento efficiente. L'eterostruttura conteneva un CrI . atomicamente sottile 3 fiocco racchiuso da due fogli di grafene come elettrodi di polarizzazione incapsulati da sottile nitruro di boro esagonale per prevenire la degradazione. Utilizzando la microscopia a fotocorrente, Canzone et al. ha studiato ulteriormente la distribuzione spaziale della fotocorrente e ha utilizzato il dicroismo circolare magnetico riflettente per mappare il CrI a tre strati 3 fiocco, dove la risposta della fotocorrente ha mostrato una forte dipendenza dall'ordine magnetico. Il team ha assegnato i plateau di fotocorrente bassa e alta agli stati fondamentali dell'antiferromagnetismo e agli stati completamente spin-polarizzati. Comparativamente, gli stati magnetici intermedi hanno determinato una fotocorrente inferiore. L'eccitazione ottica ha generato portatori fotoeccitati nelle bande di conduzione in cui l'estrazione asimmetrica degli elettrodi di grafene superiore e inferiore ha determinato la fotocorrente misurata. Il dispositivo spin-optoelettronico presentato qui ha fornito un nuovo effetto foto-magnetocorrente rispetto ai dispositivi a magnetoresistenza gigante ea magnetoresistenza a tunnel. La foto-magnetocorrente gigante e sintonizzabile risultante è stata utile per il rilevamento magnetico guidato otticamente e i dispositivi di archiviazione dei dati.
Dipendenza della fotocorrente dall'ordine magnetico del CrI3 a quattro strati. (A) Fotocorrente in funzione del campo magnetico esterno (μ0H) misurato dal dispositivo di giunzione CrI3 a quattro strati (4L) (D2) con una potenza ottica di 1 μW. La curva verde (arancione) corrisponde alla diminuzione (aumento) del campo magnetico. (B) RMCD in funzione di μ0H per lo stesso dispositivo. I riquadri mostrano gli stati magnetici corrispondenti e l'immagine al microscopio ottico del dispositivo (D2). (C) Corrente di tunneling (It) in funzione di μ0H misurata dallo stesso dispositivo a una polarizzazione di 80 mV in condizioni di oscurità. Gli inserti sono schemi del dispositivo con eccitazione laser e in condizioni di oscurità. (D) Curve Iph-V per il CrI3 a quattro strati nello stato fondamentale AFM (↑↓↑↓, 0 T, curva nera) e lo stato completamente polarizzato in spin (↑↑↑↑, 2,5 t, curva rossa). (E) magnitudo del rapporto foto-magnetocorrente in funzione della polarizzazione estratta dalle curve Iph-V in (D). L'ombreggiatura rossa indica l'intervallo di polarizzazione dove |MCph| tende all'infinito. Il riquadro è una vista ingrandita delle curve Iph-V in (D). Credito:progressi scientifici, 10.1126/sciadv.abg8094
Mappatura fotocorrente in CrI3 a quattro strati. (A) Immagine al microscopio ottico del dispositivo di giunzione CrI3 a quattro strati (D2) (barra della scala, 3 µm). (B) e (C) Mappe spaziali del segnale fotocorrente e RMCD misurato dallo stesso dispositivo a 2,5 T con una potenza ottica di 1 µW (barra della scala, 3 µm). Credito:progressi scientifici, 10.1126/sciadv.abg8094
Dipendenza della fotocorrente dall'elicità della luce e da altri effetti
Canzone et al. ha mostrato la dipendenza della fotocorrente dall'elicità della luce utilizzando un CrI . a tre strati 3 dispositivo con 1,96 eV di eccitazione. L'effetto fotovoltaico di spin unico risultante ha avuto origine dalla dipendenza dall'elicità degli eccitoni a trasferimento di carica in CrI 3 accoppiato all'ordine magnetico sottostante. L'assorbimento elicità-dipendenza del dispositivo ha rivelato le regole di selezione ottica delle transizioni di trasferimento di carica tra la valenza polarizzata dallo spin e le bande di conduzione per formare l'effetto fotovoltaico di spin dipendente dalla velocità risultante. Ulteriori osservazioni hanno anche confermato che l'ordine magnetico sottostante è l'origine della dipendenza dall'elicità degli eccitoni di trasferimento di carica.
Interazione tra ordine magnetico ed elicità del fotone nell'assorbimento e nella fotocorrente di 3L CrI3. (A) Spettri ΔR/R dipendenti dall'elicità per tutti e quattro gli stati magnetici di 3L CrI3 in campi magnetici selezionati. I punti rossi (blu) corrispondono all'elicità del fotone σ+ (σ-). Gli inserti mostrano gli stati magnetici corrispondenti e l'immagine al microscopio ottico di un CrI3 a tre strati su zaffiro. (B) Fotocorrente in funzione dell'angolo della lamina a quarto d'onda per lo stato ↑↑↑ (2 T, punti rossi) e stato (-2 T, punti neri) misurata con tre energie fotoniche selezionate indicate dalle linee tratteggiate in (A). (C) differenza di elicità ΔR/R [(ΔR/R(σ+) − ΔR/R(σ−), curva] e la variazione sovrapposta della fotocorrente [ΔIph [σ+ − σ−] =Iph(σ+) − Iph(σ−), quadrati] in funzione dell'energia del fotone per lo stato (2 T, rosso) e stato (−2 T, Nero). Credito:progressi scientifici, 10.1126/sciadv.abg8094
Veduta
In questo modo, Tiancheng Song et al. ha studiato gli effetti del fotovoltaico di spin in CrI . atomicamente sottile 3 eterostrutture di van der Waals. Le fotocorrenti hanno mostrato risposte distinte alle configurazioni di spin in CrI 3 insieme a un gigantesco effetto foto-magnetocorrente. Le misurazioni combinate della fotocorrente dipendente dall'elicità e dell'assorbimento risolta dalla polarizzazione circolare hanno rivelato l'interazione tra la fotocorrente di spin e gli eccitoni sottostanti, così come i contributi dell'ordine magnetico, energia ed elicità dei fotoni. Il dispositivo fotovoltaico 2D qui sviluppato ha utilizzato l'ordine magnetico intrinseco in pochi strati CrI 3 come prova di concetto. Il risultante CrI . atomicamente sottile 3 formato un archetipo magnete 2D per studiare la fotocorrente generata in un dispositivo di giunzione verticale. Il dispositivo può essere adattato con magneti 2D alternativi per potenziali applicazioni nel rilevamento magnetico e nell'archiviazione dei dati. La dinamica sottostante degli stati degli eccitoni a trasferimento di carica accoppiati all'ordine magnetico potrebbe generare una fotocorrente per sondare l'ordine magnetico in CrI 3 e mostrano risposte distinte all'energia e all'elicità dei fotoni. I risultati evidenziano le applicazioni della fotocorrente come nuovo metodo per sondare l'ordine magnetico, Stati eccitoni a trasferimento di carica e accoppiamento magnetoeccitone-fotone. L'approccio può essere utilizzato per studiare altri sistemi magnetici 2D, compresa la dinamica degli eccitoni accoppiati all'ordine antiferromagnetico a zig-zag e i processi di trasferimento di carica alle interfacce del grafene.
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