Laagdoorlaatfilters op basis van dunne films van van der Waals ferromagneten

Tweedimensionale (2D) magneten, ook wel magnetische van der Waals-materialen genoemd, hebben gunstige elektrische en mechanische eigenschappen, zoals antiferromagnetisch of ferromagnetisme. Deze eigenschappen maken ze bijzonder veelbelovend voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën en systemen, waaronder spintronische apparaten en 2D nano-elektromechanische systemen (NEMS).

2D-magneten kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om de prestaties te verbeteren en de grootte van vlakke inductoren te verkleinen, kleine nano-elektromechanische apparaten die kunnen worden toegepast op veel echte problemen. Door deze apparaten met condensatoren te integreren, kunnen elektronica-ingenieurs ook filters maken die draadloze communicatiesignalen kunnen detecteren en verwerken.

Theoretisch zou het opnemen van 2D magnetische materialen in deze filters kunnen helpen om hun grootte en stroomverbruik te verminderen. De meeste 2D-ferromagneten die kunnen worden gebruikt om deze filters te maken, hebben echter lage Curie-temperaturen, wat hun toepassing op dit gebied belemmert.

Onderzoekers van de Fudan University, het Shanghai Qi Zhi Institute en andere instituten over de hele wereld hebben onlangs nieuwe laagdoorlaatfilters gemaakt met behulp van films van een 2D van der Waals-materiaal dat ze hebben ontworpen om een ​​hogere Curie-temperatuur te vertonen. Deze filters, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Natuur Elektronicableken ondanks hun kleinere formaat opmerkelijke prestaties te leveren.

“De lage Curie-temperatuur van de meeste 2D-magneten beperkt praktische toepassingen”, schreven Zihan Li, Shanshan Liu en hun collega’s in hun paper. “We rapporteren van der Waals ferromagnetische laagdoorlaatfilters op basis van wafer-schaal ijzergermaniumtelluride (Fe_5+xGeTe₂) dunne films gegroeid door epitaxie van moleculaire bundels.”

De onderzoekers creëerden de 2D-ferromagnetische films die in hun onderzoek werden gebruikt met behulp van een techniek die bekend staat als moleculaire bundelepitaxiegroei. De films werden gegroeid op saffier in een ultrahoog vacuüm moleculair bundelepitaxiesysteem bij hoge temperaturen.

Li, Liu en zijn collega’s toonden aan dat de Curie-temperatuur van hun films kon worden aangepast via in situ ijzerdoping. Dit proces omvat de introductie van ijzer in een materiaal om enkele van zijn eigenschappen te veranderen.

“We laten zien dat de Curie-temperatuur van de Fe_5+xGeTe₂ systeem kan continu worden gemoduleerd van 260 tot 380 K via in situ ijzerdoping, “schreven Li, Liu en hun collega’s in hun paper. “Few-layer Fe_5+xGeTe₂ wordt gebruikt om vlakke spiraalvormige inductoren te fabriceren, waarbij de 2D magnetische kern een inductantieverbetering van 74% bij kamertemperatuur biedt in vergelijking met een inductor zonder de kern.

Li, Liu en zijn collega’s combineerden vervolgens de 2D-magneetgebaseerde inductoren die ze ontwikkelden met condensatoren om low-pass Butterworth-filters te creëren. Toen ze deze filters evalueerden, ontdekten ze dat ze veelbelovende resultaten bereikten, wat suggereert dat ze uiteindelijk zouden kunnen worden geïntegreerd met echte draadloze communicatiesystemen.

“De filters bieden een breed dynamisch bereik van ongeveer 40 dB, en de -3 dB afsnijfrequentie kan worden afgestemd van 18 tot 30 Hz door verschillende inductoren in het inductantie-capaciteitscircuit te gebruiken”, schreven Li, Liu en hun collega’s in hun papier.

De recente studie van dit team van onderzoekers toont de mogelijkheid aan om 2D-ferromagneten met een hoge Curie-temperatuur te gebruiken om inductoren en mogelijk andere NEMS-apparaten op nanoschaal te creëren. In de toekomst zou het andere onderzoeksgroepen kunnen inspireren om andere nano-elektromechanische apparaten te ontwikkelen met vergelijkbare methoden en materiaalsyntheseprocessen.