Respuesta de fotocorriente del dispositivo de unión CrI3. (A) Esquema de un dispositivo de unión CrI3 de cuatro capas en estado fundamental AFM (↑ ↓ ↑ ↓), con contactos de grafeno superior e inferior y encapsulación de hBN. (B) Curvas I-V de una unión CrI3 de cuatro capas (D2) en condiciones de oscuridad (curva negra) y con 1 μW de excitación láser de 1,96 eV (curva roja). El recuadro es una vista ampliada de la fotocorriente generada con polarización cero Iph y voltaje de circuito abierto Voc. (C) Reflectancia diferencial (ΔR / R; puntos negros) y fotocorriente (Iph; cuadrados azules) en función de la energía del fotón para la tricapa (3L) CrI3 a −2 T. La fotocorriente se mide desde un dispositivo de unión de tres capas CrI3 (D1 ) con una potencia óptica de 10 μW. (D) Imagen de microscopía óptica del dispositivo de unión 3L CrI3 (D1). Barra de escala, 5 μm. (E y F) Mapas espaciales de fotocorriente y señal RMCD medida desde el mismo dispositivo a 0 T con una potencia óptica de 1 μW. Barras de escala, 5 μm. Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abg8094
En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Tiancheng Song y un equipo de investigación del departamento de física, Universidad de Washington, NOSOTROS., y materiales y nanoarquitectura en Japón y China, efectos fotovoltaicos de espín detallados en heteroestructuras de van der Waals (vdW) de triyoduro de cromo magnético bidimensional (2D) (CrI 3 ) intercalado por contactos de grafeno. El concepto de cristales de van der Waals y sus heteroestructuras son de interés en la ciencia de los materiales, física aplicada y optoelectrónica, para explorar las propiedades optoelectrónicas dentro del límite bidimensional (2D). Es posible integrar imanes 2D para realizar optoelectrónica de espín 2D con grados de libertad de giro controlados. La fotocorriente del CrI 3 mostró una clara dependencia de la ligera helicidad, que Song et al. sintonizado variando los estados magnéticos y la energía de los fotones. La investigación destacó el potencial para estudiar el fenómeno emergente de la fotospintrónica mediante la ingeniería de heteroestructuras magnéticas vdW.
Girar efectos fotovoltaicos
La espintrónica tiene como objetivo regular el grado de libertad de giro en los sistemas electrónicos para facilitar nuevas funciones. La generación y control de espines puede abrir nuevas oportunidades emergentes en electrónica de espín para explorar nuevos efectos fotovoltaicos de espín y fotocorriente de espín. Los efectos fotovoltaicos de espín se pueden realizar utilizando diferentes mecanismos en varias heteroestructuras, entre los cuales los materiales bidimensionales, como los dicalcogenuros de metales de transición, son un sistema prometedor para la optoelectrónica de espín. El descubrimiento de los imanes 2D de van der Waals ha proporcionado a los científicos una nueva plataforma para estudiar los efectos fotovoltaicos de espín basados en materiales atómicamente delgados con un orden magnético intrínseco. De estos, El triyoduro de cromo es de interés debido a su antiferromagnetismo en capas (AFM), donde las configuraciones de espín pueden ser reguladas por un campo magnético circundante. El campo puede cambiar la muestra entre los estados fundamentales del AFM y los estados con polarización total mediante una serie de transiciones invertidas. La configuración proporciona una plataforma ideal para resaltar los efectos optoelectrónicos de espín en el límite atómicamente delgado.
Dependencia de la helicidad de la fotocorriente en la tricapa CrI3. (A) Fotocorriente en función del ángulo de la placa de un cuarto de onda para el estado ↑↑↑ (2 T, puntos rojos) y estado ↓↓↓ (-2 T, puntos negros) medidos desde el dispositivo de unión CrI3 de tres capas (D1) con una potencia óptica de 10 μW. Las flechas verticales representan luz linealmente polarizada. (B) El cambio en la fotocorriente [ΔIph [σ + - σ−] =Iph (σ +) - Iph (σ−)] en función de μ0H medida desde el mismo dispositivo con una potencia óptica de 10 μW. El grado de helicidad ΔIph [σ + - σ -] / (Iph (σ +) + Iph (σ−) dado en el eje derecho. Los recuadros muestran los estados magnéticos correspondientes y el esquema del dispositivo con excitación de luz polarizada circularmente. (C) RMCD en función de μ0H para el mismo dispositivo. Los recuadros muestran los estados magnéticos correspondientes y la imagen de microscopía óptica del dispositivo (D1). Barra de escala, 15 micras. Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abg8094 
Los investigadores desarrollaron una heteroestructura vertical para estudiar la respuesta de fotocorriente de CrI 3 y permitir una fotodetección eficaz. La heteroestructura contenía un CrI atómicamente delgado 3 escamas intercaladas por dos láminas de grafeno como electrodos de polarización encapsulados por nitruro de boro hexagonal delgado para evitar la degradación. Usando microscopía de fotocorriente, Song y col. investigó más a fondo la distribución espacial de la fotocorriente y utilizó dicroísmo circular magnético reflectante para mapear el CrI de tres capas 3 escama, donde la respuesta de la fotocorriente mostró una fuerte dependencia del orden magnético. El equipo asignó las mesetas de fotocorriente baja y alta a los estados fundamentales del antiferromagnetismo y a los estados completamente polarizados de espín. Relativamente, los estados magnéticos intermedios dieron como resultado una fotocorriente más baja. La excitación óptica generó portadores fotoexcitados en las bandas de conducción donde la extracción asimétrica por los electrodos de grafeno superior e inferior dio como resultado la fotocorriente medida. El dispositivo optoelectrónico de espín que se presenta aquí proporcionó un novedoso efecto de foto-magnetocorriente en comparación con los dispositivos gigantes de magnetorresistencia y magnetorresistencia de túnel. La foto-magnetocorriente gigante y sintonizable resultante fue útil para dispositivos de almacenamiento de datos y sensores magnéticos impulsados ópticamente.
Dependencia de la fotocorriente en el orden magnético de CrI3 de cuatro capas. (A) Fotocorriente en función del campo magnético externo (μ0H) medido desde el dispositivo de unión CrI3 de cuatro capas (4L) (D2) con una potencia óptica de 1 μW. La curva verde (naranja) corresponde a un campo magnético decreciente (creciente). (B) RMCD en función de μ0H para el mismo dispositivo. Los recuadros muestran los estados magnéticos correspondientes y la imagen de microscopía óptica del dispositivo (D2). (C) Corriente de tunelización (It) en función de μ0H medida desde el mismo dispositivo a 80 mV de polarización en condiciones de oscuridad. Los recuadros son esquemas del dispositivo con excitación láser y en condiciones de oscuridad. (D) Curvas Iph-V para el CrI3 de cuatro capas en el estado fundamental del AFM (↑ ↓ ↑ ↓, 0 T, curva negra) y el estado completamente polarizado de espín (↑↑↑↑, 2,5 toneladas curva roja). (E) Magnitud de la relación foto-magnetocorriente en función del sesgo extraído de las curvas Iph-V en (D). El sombreado rojo indica el rango de sesgo donde | MCph | tiende al infinito. El recuadro es una vista ampliada de las curvas Iph-V en (D). Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abg8094
Mapeo de fotocorriente en CrI3 de cuatro capas. (A) Imagen de microscopía óptica del dispositivo de unión CrI3 de cuatro capas (D2) (barra de escala, 3 µm). (B) y (C) Mapas espaciales de fotocorriente y señal RMCD medida desde el mismo dispositivo a 2,5 T con una potencia óptica de 1 µW (barra de escala, 3 µm). Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abg8094
Dependencia de la fotocorriente de la helicidad de la luz y otros efectos.
Song y col. mostró la dependencia de la fotocorriente de la helicidad de la luz utilizando un CrI de tres capas 3 dispositivo con 1,96 eV de excitación. El efecto fotovoltaico de espín único resultante se originó a partir de la dependencia de la helicidad de los excitones de transferencia de carga en CrI. 3 acoplado al orden magnético subyacente. La absorción de dependencia de helicidad del dispositivo reveló las reglas de selección óptica de las transiciones de transferencia de carga entre las bandas de conducción y valencia polarizadas en espín para formar el efecto fotovoltaico de espín dependiente de la velocidad resultante. Otras observaciones también confirmaron que el orden magnético subyacente es el origen de la dependencia de helicidad de los excitones de transferencia de carga.
Interacción entre el orden magnético y la helicidad de los fotones en la absorción y la fotocorriente de 3L CrI3. (A) Espectros ΔR / R dependientes de la helicidad para los cuatro estados magnéticos de 3L CrI3 en campos magnéticos seleccionados. Los puntos rojos (azules) corresponden a la helicidad del fotón σ + (σ−). Los recuadros muestran los estados magnéticos correspondientes y la imagen de microscopía óptica de un CrI3 de tres capas en zafiro. (B) Fotocorriente en función del ángulo de la placa de un cuarto de onda para el estado ↑↑↑ (2 T, puntos rojos) y estado ↓↓↓ (-2 T, puntos negros) medidos con tres energías fotónicas seleccionadas indicadas por las líneas discontinuas en (A). (C) ΔR / R diferencia de helicidad [(ΔR / R (σ +) - ΔR / R (σ−), curva] y el cambio superpuesto en la fotocorriente [ΔIph [σ + - σ−] =Iph (σ +) - Iph (σ−), cuadrados] en función de la energía del fotón para el estado ↑↑↑ (2 T, rojo) y ↓↓↓ estado (−2 T, negro). Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abg8094
panorama
De este modo, Tiancheng Song y col. estudió los efectos fotovoltaicos de espín en CrI atómicamente delgado 3 heteroestructuras de van der Waals. Las fotocorrentes mostraron distintas respuestas a las configuraciones de espín en CrI 3 junto con un efecto foto-magnetocorriente gigante. Las mediciones combinadas de fotocorriente dependiente de helicidad y absorción resuelta por polarización circular revelaron la interacción entre la fotocorriente de espín y los excitones subyacentes. así como contribuciones del orden magnético, energía fotónica y helicidad. El dispositivo fotovoltaico 2D desarrollado aquí utilizó el orden magnético intrínseco en pocas capas CrI 3 como prueba de concepto. El CrI atómicamente delgado resultante 3 formó un imán 2D arquetípico para estudiar la fotocorriente generada en un dispositivo de unión vertical. El dispositivo se puede adaptar con imanes 2D alternativos para aplicaciones potenciales en detección magnética y almacenamiento de datos. La dinámica subyacente de los estados de excitones de transferencia de carga acoplados al orden magnético podría generar una fotocorriente para sondear el orden magnético en CrI 3 y muestran distintas respuestas a la energía de los fotones y la helicidad. Los resultados destacan las aplicaciones de la fotocorriente como un nuevo método para sondear el orden magnético, estados de excitón de transferencia de carga y acoplamiento magnetoexcitón-fotón. El enfoque se puede utilizar para estudiar otros sistemas magnéticos 2D, incluida la dinámica de los excitones acoplados en orden antiferromagnético en zig-zag y los procesos de transferencia de carga en las interfaces de grafeno.
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