Het manipuleren van magnetische koppeling tussen de lagen in van der Waals heterostructuren

Een heterostructuur geconstrueerd met antiferromagnetische onderlaag (FePS³) en ferromagnetische bovenlaag (Fe₅GeTe₂). Credit: Nano-letters

Een door RMIT geleide internationale samenwerking heeft voor het eerst een elektrisch poortgestuurd exchange-bias-effect waargenomen in van der Waals (vdW) heterostructuren, wat een veelbelovend platform biedt voor toekomstige energie-efficiënte, voorbij CMOS-elektronica.

Het exchange-bias (EB) -effect, dat afkomstig is van magnetische koppeling tussen de lagen, heeft sinds zijn ontdekking een belangrijke rol gespeeld in fundamentele magnetisme en spintronica.

Hoewel het manipuleren van het EB-effect door een elektronische poort een belangrijk doel was in de spintronica, zijn tot nu toe slechts zeer beperkte elektrisch instelbare EB-effecten aangetoond.

Door elektrische poort gemanipuleerde EB-effecten in AFM-FM-structuren maken schaalbare energie-efficiënte spin-orbit-logica mogelijk, wat veelbelovend is voor voorbij-COMS-apparaten in toekomstige energiezuinige elektronische technologieën.

De “blokkerende” temperatuur van het EB-effect kan effectief worden afgestemd via een elektrische poort, waardoor het EB-veld ook in toekomstige spintronische transistors “AAN” en “UIT” kan worden geschakeld.

De door FLEET geleide samenwerking van onderzoekers van RMIT University (Australië) en South China University of Technology (China) bevestigen voor het eerst de elektrische controle van het EB-effect in een vdW-heterostructuur.

Realisatie van exchange bias-effecten in AFM-FM heterostructuren

De opkomst van vdW magnetische materialen stimuleert de ontwikkeling van vdW magnetische en spintronische apparaten en biedt een ideaal platform voor het verkennen van intrinsieke grensvlak magnetische koppelingsmechanismen.

Het apparaat: een veldeffecttransistor met vaste protonen (SP-FET) monteert de AFM-FM-heterostructuur in elektrisch contact (goud), gemonteerd op een vaste protonische geleider (SPC) en poortelektrode (Pt). Credit: Nano-letters

Het manipuleren van het EB-effect, dat afkomstig is van de door de AFM-FM-interfacekoppeling geïnduceerde unidirectionele anisotropie, door een elektronische poort, is een belangrijk doel in spintronica. Tot op heden zijn zeer beperkte elektrisch afstembare EB-effecten experimenteel aangetoond in sommige oxide multiferroïsche dunne-filmsystemen. Hoewel vdW magnetische heterostructuren verbeterde platforms hebben opgeleverd om EB-effecten te onderzoeken, hebben deze heterostructuren nog geen elektrische gate-gecontroleerde EB-effecten vertoond.

“We hadden veel ervaring opgedaan met op vdW heterostructuur gebaseerde nano-apparaten en we besloten dat het tijd was voor ons om enkele methoden te gebruiken, zoals elektrische poorten, om magnetische eigenschappen in FM/AFM-dubbellagen te regelen”, zegt de eerste auteur van het onderzoek, FLEET. Onderzoeksgenoot Dr. Sultan Albarakati (RMIT).

“Bovendien zijn we bekend met protonintercalatie, wat een effectief hulpmiddel is om de ladingsdichtheid van materialen te moduleren.”

Het team ontwierp een nano-apparaatstructuur met een drielaagse FM/AFM/vaste protongeleider en koos een vdW-materiaal met een hogere Neel-temperatuur, FePS₃om te dienen als de AFM-laag.

“De keuze van de FM-laag was een beetje lastig”, zegt co-auteur Dr. Cheng Tan (RMIT).

“Op basis van onze eerdere resultaten zou het EB-effect kunnen optreden in proton-geïntercaleerde Fe₃GeTe₂terwijl in Fe₅GeTe₂ (F5GT) van verschillende diktes, kan de protonintercalatie geen EB-effecten veroorzaken. Daarom kiezen we voor F5GT als de FM-laag”, zegt Cheng.

Dus de resulterende heterostructuur omvatte:

• Antiferromagnetische (AFM) laag FePS₃ (FPS)
• Ferromagnetische (FM) laag Fe₅GeTe₂ (F5GT)

Beeldvorming van het apparaat via optische microscoop (links) en atomaire krachtmicroscoop (rechts). Credit: Nano-letters

Over het algemeen wordt het EB-effect beschouwd als een interface-effect en zou het naar verwachting afnemen als de dikte van de FM-laag wordt vergroot. Hoewel de dunnere F5GT-nanovlokken (c~2T) vanwege de defect-pinning tussen de lagen, het moeilijker maken om een ​​EB-effect te genereren in een FM/AFM-dubbellaag omdat de energiebarrière die wordt veroorzaakt door defect pinning mogelijk groter is dan die van unidirectionele anisotropie.

“Onze experimentele waarnemingen komen hiermee overeen”, legt co-auteur Dr. Guolin Zheng (RMIT) uit. “Er treden geen EB-effecten op wanneer de dikte van F5GT minder is dan 10 nm. Gelukkig vinden we na vele tests dat het EB-effect kan overleven in FPS-F5GT hetero-interfaces wanneer de dikte van de F5GT-laag binnen het bereik van 12 ligt. nm tot 20 nm.”

“Dan zouden we de effecten van protonintercalaties in FPS-F5GT verder kunnen onderzoeken.” zegt Guolin.

Elektrisch regelen van het uitwisselingsbiaseffect via protonintercalatie

Het team voerde vervolgens met succes de protonintercalatie uit in FPS-F5GT en observeerde de verschuiving van EB-velden onder verschillende poortspanningen.

“De blokkeringstemperatuur van het EB-effect kan effectief worden afgesteld via een elektrische poort. En interessanter is dat het EB-veld herhaaldelijk ‘AAN’ en ‘UIT’ kan worden geschakeld onder verschillende poortspanningen”, zegt Guolin.

Verdere theoretische berekeningen uitgevoerd door medewerker van de South China University of Technology bevestigen verder dat de protonintercalaties niet alleen de gemiddelde magnetische uitwisselingskoppeling afstemmen, maar ook de antiferromagnetische configuraties in de FePS veranderen₃ laag.

“De gate-afhankelijke EB-effecten kunnen goed worden verklaard op basis van onze berekeningen”, zegt bijdragende auteur A/Prof Lan Wang (ook bij RMIT). “Onder verschillende protonintercalaties, de beïnvloede AFM-FM-koppeling geïnduceerde unidirectionele anisotropie-energie en de transformatie van FPS₃ tussen een niet-gecompenseerde AFM en een gecompenseerde AFM leiden tot de verschillende interessante verschijnselen.”

“Nogmaals, deze studie is een belangrijke stap in de richting van op vdW heterostructuur gebaseerde magnetische logica voor toekomstige energiezuinige elektronica.”

De studie is gepubliceerd in Nano-letters.