Un'eterostruttura costruita con uno strato inferiore antiferromagnetico (FePS 3 ) e strato superiore ferromagnetico (Fe5 GeTe2 ). Credito:Nano lettere
Una collaborazione internazionale guidata da RMIT ha osservato, per la prima volta, l'effetto di scambio-bias controllato dal cancello elettrico nelle eterostrutture di van der Waals (vdW), offrendo una piattaforma promettente per la futura elettronica ad alta efficienza energetica, oltre il CMOS.
L'effetto di scambio-bias (EB), che ha origine dall'accoppiamento magnetico interstrato, ha svolto un ruolo significativo nella magnetica fondamentale e nella spintronica sin dalla sua scoperta.
Sebbene la manipolazione dell'effetto EB mediante un gate elettronico sia stato un obiettivo significativo nella spintronica, fino ad ora sono stati dimostrati solo effetti EB regolabili elettricamente molto limitati.
Gli effetti EB manipolati dal gate elettrico nelle strutture AFM-FM consentono una logica spin-orbita scalabile ad alta efficienza energetica, che è molto promettente per i dispositivi oltre COMS nelle future tecnologie elettroniche a bassa energia.
La temperatura di "blocco" dell'effetto EB può essere regolata efficacemente tramite un cancello elettrico, che consentirebbe di attivare e disattivare il campo EB anche nei futuri transistor spintronici.
La collaborazione guidata da FLEET dei ricercatori della RMIT University (Australia) e della South China University of Technology (Cina) conferma per la prima volta il controllo elettrico dell'effetto EB in un'eterostruttura vdW.
Realizzazione degli effetti di bias di scambio nelle eterostrutture AFM-FM
L'emergere di materiali magnetici vdW stimola lo sviluppo di dispositivi magnetici e spintronici vdW e fornisce una piattaforma ideale per esplorare i meccanismi di accoppiamento magnetico intrinsecamente interfacciale.
Il dispositivo:un transistor a effetto di campo a protoni solidi (SP-FET) monta l'eterostruttura AFM-FM all'interno di un contatto elettrico (oro), montato su un conduttore protonico solido (SPC) e un elettrodo di gate (Pt). Credito:Nano lettere
La manipolazione dell'effetto EB, che ha origine dall'anisotropia unidirezionale indotta dall'accoppiamento dell'interfaccia AFM-FM, da parte di un gate elettronico è un obiettivo significativo nella spintronica. Ad oggi, effetti EB regolabili elettricamente molto limitati sono stati dimostrati sperimentalmente in alcuni sistemi a film sottile multiferroico di ossido. Sebbene le eterostrutture magnetiche vdW abbiano fornito piattaforme migliorate per studiare gli effetti EB, queste eterostrutture non hanno ancora mostrato effetti EB controllati dal gate elettrico.
"Avevamo acquisito molta esperienza in nano-dispositivi basati sull'eterostruttura vdW e abbiamo deciso che era giunto il momento di utilizzare alcuni metodi, come i cancelli elettrici, per controllare le proprietà magnetiche nei doppi strati FM/AFM", afferma il primo autore dello studio, FLEET Ricercatore Dr. Sultan Albarakati (RMIT).
"Inoltre, conosciamo l'intercalazione protonica, che è uno strumento efficace per modulare la densità di carica dei materiali."
Il team ha progettato una struttura di nano-dispositivo con un triplo strato di FM/AFM/conduttore di protoni solidi e ha scelto un materiale vdW con una temperatura di Neel più elevata, FePS3 , per fungere da livello AFM.
"La scelta del livello FM è stata un po' complicata", afferma il coautore Dr. Cheng Tan (RMIT).
"Sulla base dei nostri risultati precedenti, l'effetto EB potrebbe verificarsi nel Fe3 intercalato da protoni GeTe2 , mentre in Fe5 GeTe2 (F5GT) di vari spessori, l'intercalazione del protone non può comportare alcun effetto EB. Quindi, scegliamo F5GT come livello FM", afferma Cheng.
Pertanto l'eterostruttura risultante comprendeva:
Imaging del dispositivo tramite microscopio ottico (a sinistra) e microscopio a forza atomica (a destra). Credito:Nano lettere
In generale, l'effetto EB è considerato un effetto di interfaccia e dovrebbe diminuire se lo spessore dello strato FM viene aumentato. Mentre i nano-flakes F5GT più sottili (<10 nm) possono generare una coercitività estremamente ampia (Hc ~2 T) a causa del blocco del difetto intrastrato, questo rende più difficile generare l'effetto EB in un doppio strato FM/AFM perché la barriera energetica indotta dal blocco del difetto è potenzialmente più grande di quella dell'anisotropia unidirezionale.
"Le nostre osservazioni sperimentali sono coerenti con questo", spiega il coautore Dr. Guolin Zheng (RMIT). "Non si verificano effetti EB quando lo spessore di F5GT è inferiore a 10 nm. Fortunatamente, dopo molti test, scopriamo che l'effetto EB può sopravvivere nelle eterointerfacce FPS-F5GT quando lo spessore dello strato F5GT rientra nell'intervallo di 12 nm a 20 nm."
"Quindi potremmo esplorare ulteriormente gli effetti delle intercalazioni di protoni in FPS-F5GT". dice Guolin.
Controllare elettricamente l'effetto di bias di scambio tramite l'intercalazione di protoni
Il team ha quindi eseguito con successo l'intercalazione protonica in FPS-F5GT e ha osservato lo spostamento dei campi EB sotto diverse tensioni di gate.
"La temperatura di blocco dell'effetto EB può essere regolata in modo efficace tramite il cancello elettrico. E, cosa ancora più interessante, il campo EB può essere commutato 'ON' e 'OFF' ripetutamente con varie tensioni del gate", afferma Guolin.
Ulteriori calcoli teorici effettuati dal collaboratore della South China University of Technology confermano ulteriormente che le intercalazioni di protoni non solo sintonizzano l'accoppiamento di scambio magnetico medio ma cambiano anche le configurazioni antiferromagnetiche nel FePS3 livello.
"Gli effetti EB dipendenti dal gate possono essere ben spiegati sulla base dei nostri calcoli", afferma l'autore collaboratore A/Prof Lan Wang (anche a RMIT). "Sotto diverse intercalazioni di protoni, l'energia di anisotropia unidirezionale indotta dall'accoppiamento AFM-FM e la trasformazione di FPS3 tra un AFM non compensato e un AFM compensato portano ai vari fenomeni interessanti."
"Ancora una volta, questo studio è un passo significativo verso la logica magnetica basata sull'eterostruttura vdW per la futura elettronica a bassa energia."
Lo studio è stato pubblicato in Nano Letters . + Esplora ulteriormente
