Een gelaagde ferromagneet transformeren voor toekomstige spintronica

Kristalstructuur en initiële karakterisering van F₅GT. Krediet: FLEET

Een door RMIT geleide internationale samenwerking die deze week is gepubliceerd, heeft een recordhoge elektrondoping bereikt in een gelaagde ferromagneet, wat een magnetische faseovergang veroorzaakte met een aanzienlijke belofte voor toekomstige elektronica

Controle van magnetisme (of spinrichtingen) door elektrische spanning is van vitaal belang voor de ontwikkeling van toekomstige, energiezuinige high-speed nano-elektronische en spintronische apparaten, zoals spin-orbit-koppelapparaten en spin-veldeffecttransistoren.

Ultra-hoge lading, door doping geïnduceerde magnetische faseovergang in een gelaagde ferromagneet maakt veelbelovende toepassingen mogelijk in antiferromagnetische spintronische apparaten.

De FLEET-samenwerking van onderzoekers van RMIT, UNSW, de Universiteit van Wollongong en FLEET-partner High Magnetic Field Laboratory (China) toont voor het eerst aan dat ultrahoge elektronendopingconcentratie (boven 1.021 cm^-3) kan worden geïnduceerd in het gelaagde van der Waals (vdW) metaalmateriaal Fe₅GeTe₂ door protonintercalatie, en kan verder een overgang van de magnetische grondtoestand van ferromagnetisme naar antiferromagnetisme veroorzaken.

Afstemmen van magnetisme in de VDW ferromagneet Fe₅GeTe₂ (F₅GT)

De opkomst van gelaagde, magnetische vdW-materialen heeft een groeiende zoektocht naar nieuwe vdW-spintronische apparaten versneld.

In vergelijking met rondtrekkende ferromagneten hebben antiferromagneten (AFM’s) unieke voordelen als bouwstenen van dergelijke toekomstige spintronische apparaten. Hun robuustheid om magnetische velden te verstrooien maakt ze geschikt voor geheugenapparaten, en de op AFM gebaseerde spin-orbit-torsieapparaten vereisen een lagere stroomdichtheid dan die in ferromagneten.

Momenteel zijn vdW rondreizende antiferromagneten echter nog schaars.

Naast het direct synthetiseren van een vdW antiferromagneet, is een andere mogelijke methode voor deze functie het induceren van een magnetische faseovergang in een bestaande vdW rondreizende ferromagneet.

“We hebben ervoor gekozen om te werken met nieuw gesynthetiseerde vdW rondreizende ferromagneet Fe₅GeTe₂ (F5GT)”, zegt de eerste auteur van het onderzoek, FLEET Research Fellow Dr. Cheng Tan (RMIT).

“Onze eerdere ervaring met Fe3GeTe2 (Nature Communication 2018) stelde ons in staat om de magnetische eigenschappen van het materiaal snel te identificeren en te evalueren, en sommige onderzoeken geven aan dat Fe₅GeTe₂ is gevoelig voor lokale atomaire rangschikkingen en stapelconfiguraties tussen de lagen, wat betekent dat het mogelijk zou zijn om er een faseovergang in te induceren door doping”, zegt Cheng.

Het team onderzocht eerst de magnetische eigenschappen in Fe₅GeTe₂ nanosheets van verschillende diktes door elektronentransportmetingen.

De eerste transportresultaten laten echter ook zien dat de elektronendichtheid in Fe₅GeTe₂ is hoog zoals verwacht, wat aangeeft dat het magnetisme moeilijk te moduleren is door traditionele poortspanning vanwege het elektrische schermeffect in metaal:

“Ondanks de hoge ladingsdichtheid in Fe₅GeTe₂, wisten we dat het de moeite waard was om te proberen het materiaal af te stemmen via protonic gating, zoals we eerder hebben bereikt in Fe3GeTe2 (Physical Review Letters 2020), omdat protonen gemakkelijk in de tussenlaag kunnen doordringen en doping met grote lading kunnen induceren, zonder de roosterstructuur te beschadigen, ” zegt co-auteur Dr. Guolin Zheng (ook bij RMIT).

Een SP-FET-transistor, met F₅GT-vlok op een vaste protongeleider (SPC) – schaal = 10 µm. Krediet: FLEET

Fabriceren van de solide protonische veldeffecttransistor (SP-FET)

Zoals alle onderzoekers op het gebied van klassieke computers die verder gaan dan CMOS, probeert het team een ​​verbeterde vorm van de transistor te bouwen, de schakelaars die de binaire ruggengraat van moderne elektronica vormen.

Een solide protonische veldeffecttransistor (SP-FET) is er een die schakelt op basis van invoeging (intercalatie) van protonen. In tegenstelling tot traditionele proton-FET’s (die schakelen door vloeistof onder te dompelen en worden beschouwd als veelbelovende kandidaten voor het overbruggen tussen traditionele elektronica en biologische systemen), is de SP-FET solide en dus geschikt voor gebruik in echte apparaten

Het is aangetoond dat de SP-FET zeer krachtig is in het afstemmen van dikke metalen materialen (dat wil zeggen, het kan een hoog ladingsdopingniveau induceren), die zeer moeilijk te moduleren zijn via traditionele op diëlektrische gebaseerde of ion-vloeistofgating-technieken (vanwege het elektrische afschermingseffect in metaal).

Door het fabriceren van een solide protonische veldeffecttransistor (SP-FET) met Fe₅GeTe₂, was het team in staat om de dragerdichtheid in Fe . drastisch te veranderen₅GeTe₂ en verander de magnetische grondtoestand. Verdere berekening van de dichtheidsfunctionaaltheorie bevestigde de experimentele resultaten.

“Alle monsters laten zien dat de ferromagnetische toestand geleidelijk kan worden onderdrukt door de intercalatie van protonen te vergroten, en uiteindelijk zien we dat verschillende monsters geen hysteresislussen vertonen, wat de verandering van de magnetische grondtoestand aangeeft, de theoretische berekeningen zijn consistent met de experimentele resultaten,” zegt Chen.

“Het succes van het realiseren van een AFM-fase in metalen vdW ferromagneet Fe₅GeTe₂ nanosheets vormt een belangrijke stap naar vdW antiferromagnetische apparaten en heterostructuren die werken bij hoge temperaturen”, zegt co-auteur A/Prof Lan Wang (ook bij RMIT).

“Nogmaals, dit toont aan dat onze protonische poorttechniek een krachtig wapen is in experimenten met elektronentransport, en waarschijnlijk ook op andere gebieden.”

De studie

“Poortgestuurde magnetische faseovergang in een van der Waals magneet Fe₅GeTe₂” werd gepubliceerd in Nano-letters in juni 2021.

Naast steun van de Australian Research Council, werd ook steun verleend door Natural Science Foundation of China, het National Key Research and Development Program of China, de Fundamental Research Funds for the Central Universities, het Collaborative Innovation Program van Hefei Science Center en de High Magnetic Field Laboratory (China).

Experimenteel onderzoek werd uitgevoerd bij de RMIT Micro Nano Research Facility (MNRF) in de Victorian Node van de Australian National Fabrication Facility (ANFF) en de RMIT Microscopy and Microanalysis Facility (RMMF), evenals het High Magnetic Field Laboratory (Anhui, China) ).

Spintronic-apparaten worden bestudeerd binnen Enabling technology B bij FLEET, een Australian Research Council Centre of Excellence. Het Centre for Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) brengt meer dan honderd Australische en internationale experts samen met de gedeelde missie om een ​​nieuwe generatie ultra-lage-energie-elektronica te ontwikkelen. De drijfveer achter dergelijk werk is de toenemende uitdaging van de energie die wordt gebruikt bij berekeningen, die 5-8% van de wereldwijde elektriciteit gebruikt en elk decennium verdubbelt.