Struttura cristallina e caratterizzazione iniziale di F 5 GT. Credito:FLEET
Una collaborazione internazionale guidata da RMIT pubblicata questa settimana ha raggiunto il record di drogaggio di elettroni in un ferromagnete a strati, causando una transizione di fase magnetica con una promessa significativa per l'elettronica futura
Il controllo del magnetismo (o delle direzioni di spin) mediante la tensione elettrica è vitale per lo sviluppo futuro, dispositivi nanoelettronici e spintronici a bassa energia e ad alta velocità, come dispositivi di coppia spin-orbita e transistor ad effetto di campo di spin.
Carica ultra alta, la transizione di fase magnetica indotta dal drogaggio in un ferromagnete stratificato consente applicazioni promettenti in dispositivi spintronici antiferromagnetici.
La collaborazione FLEET dei ricercatori di RMIT, UNSW, l'Università di Wollongong e il partner della FLEET High Magnetic Field Laboratory (Cina) dimostrano per la prima volta che la concentrazione di drogaggio di elettroni ultra-elevata (superiore a 10 21 cm -3 ) può essere indotto nel materiale metallico stratificato di van der Waals (vdW) Fe 5 GeTe 2 per intercalazione protonica, e può ulteriormente causare una transizione dello stato fondamentale magnetico dal ferromagnetismo all'antiferromagnetismo.
Sintonizzazione del magnetismo nel ferromagnete VDW Fe 5 GeTe 2 (F 5 GT)
L'emergere di strati, I materiali magnetici vdW hanno accelerato la ricerca di nuovi dispositivi spintronici vdW.
Rispetto ai ferromagneti itineranti, gli antiferromagneti (AFM) hanno vantaggi unici come elementi costitutivi di tali futuri dispositivi spintronici. La loro robustezza ai campi magnetici vaganti li rende adatti per dispositivi di memoria, e i dispositivi di coppia spin-orbita basati su AFM richiedono una densità di corrente inferiore rispetto a quella dei ferromagneti.
Tuttavia attualmente gli antiferromagneti itineranti vdW sono ancora scarsi.
Oltre a sintetizzare direttamente un antiferromagnete vdW, un altro possibile metodo verso questa funzione è indurre una transizione di fase magnetica in un ferromagnete itinerante vdW esistente.
"Abbiamo scelto di lavorare con ferromagnete itinerante vdW di nuova sintesi Fe 5 GeTe 2 (F5GT)", afferma il primo autore dello studio, Fellow Research Fellow Dr. Cheng Tan (RMIT).
"La nostra precedente esperienza su Fe 3 GeTe 2 ( Comunicazione della natura 2018) ci ha permesso di identificare e valutare rapidamente le proprietà magnetiche del materiale, e alcuni studi indicano Fe 5 GeTe 2 è sensibile alle disposizioni atomiche locali e alle configurazioni di impilamento degli strati intercalari, il che significa che sarebbe possibile indurre una transizione di fase in esso mediante drogaggio, " dice Cheng.
Il team ha prima studiato le proprietà magnetiche del Fe 5 GeTe 2 nanofogli di vario spessore mediante misure di trasporto di elettroni.
Però, i risultati iniziali del trasporto mostrano anche che la densità elettronica in Fe 5 GeTe 2 è alto come previsto, indicando che il magnetismo è difficilmente modulabile dalla tradizionale tensione di gate a causa dell'effetto schermo elettrico in metallo:
"Nonostante l'elevata densità di carica in Fe 5 GeTe 2 , sapevamo che valeva la pena provare a mettere a punto il materiale tramite gating protonico, come abbiamo già ottenuto in Fe 3 GeTe 2 ( Lettere di revisione fisica 2020), perché i protoni possono facilmente penetrare nell'intercalare e indurre un grande drogaggio di carica, senza danneggiare la struttura reticolare, " dice il co-autore Dr. Guolin Zheng (anche a RMIT).
Un transistor SP-FET, con F 5 Fiocco GT su un conduttore di protoni solido (SPC) – scala =10µm. Credito:FLEET
Fabbricazione del transistore ad effetto di campo protonico solido (SP-FET)
Come tutti i ricercatori di informatica classica oltre il CMOS, il team sta cercando di costruire una forma migliorata del transistor, gli interruttori che forniscono la spina dorsale binaria dell'elettronica moderna.
Un transistor ad effetto di campo protonico solido (SP-FET) è uno che commuta in base all'inserimento (intercalazione) di protoni. A differenza dei tradizionali FET protonici (che cambiano per immersione nel liquido, e sono considerati candidati promettenti per il collegamento tra elettronica tradizionale e sistemi biologici. ), l'SP-FET è solido, e quindi adatto per l'uso in dispositivi reali
L'SP-FET ha dimostrato di essere molto potente nella messa a punto di materiali metallici spessi (ad es. può indurre un elevato livello di drogaggio di carica), che sono molto difficili da modulare tramite tecniche tradizionali a base dielettrica o ion liquid gating (a causa dell'effetto schermante elettrico nel metallo).
Fabbricando un solido transistor ad effetto di campo protonico (SP-FET) con Fe 5 GeTe 2 , il team è stato in grado di modificare drasticamente la densità dei portatori in Fe 5 GeTe 2 e cambia il suo stato fondamentale magnetico. Ulteriori calcoli della teoria del funzionale della densità hanno confermato i risultati sperimentali.
"Tutti i campioni mostrano che lo stato ferromagnetico può essere gradualmente soppresso aumentando l'intercalazione protonica, e infine vediamo diversi campioni che non mostrano cicli di isteresi, che indica il cambiamento dello stato fondamentale magnetico, i calcoli teorici sono coerenti con i risultati sperimentali, "dice Cheng.
"Il successo di realizzare una fase AFM in ferromagnete metallico vdW Fe 5 GeTe 2 nanosheets costituisce un passo importante verso dispositivi antiferromagnetici vdW ed eterostrutture che operano ad alte temperature, " dice il co-autore A/Prof Lan Wang (anche a RMIT).
"Ancora, questo dimostra che la nostra tecnica del cancello protonico è un'arma potente negli esperimenti di trasporto di elettroni, e probabilmente in altre aree bene."
Lo studio
"Transizione di fase magnetica controllata dal cancello in un magnete di van der Waals Fe 5 GeTe 2 " è stato pubblicato in Nano lettere nel giugno 2021.
Oltre al sostegno dell'Australian Research Council, il supporto è stato fornito anche dalla Natural Science Foundation of China, il programma nazionale di ricerca e sviluppo chiave della Cina, i Fondi Fondamentali di Ricerca per le Università Centrali, il Programma di innovazione collaborativa dell'Hefei Science Center e l'High Magnetic Field Laboratory (Cina).
La ricerca sperimentale è stata eseguita presso l'RMIT Micro Nano Research Facility (MNRF) nel Victorian Node of the Australian National Fabrication Facility (ANFF) e l'RMIT Microscopy and Microanalysis Facility (RMMF), così come il Laboratorio di Alto Campo Magnetico (Anhui, Cina).
I dispositivi Spintronic sono studiati nell'ambito della tecnologia Enabling B presso FLEET, un centro di eccellenza del Consiglio di ricerca australiano. Il Center for Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) riunisce oltre un centinaio di esperti australiani e internazionali, con la missione condivisa di sviluppare una nuova generazione di elettronica a bassissimo consumo energetico. L'impulso alla base di tale lavoro è la crescente sfida dell'energia utilizzata nel calcolo, che utilizza il 5-8% dell'elettricità globale e raddoppia ogni decennio.
