Estructura cristalina y caracterización inicial de F 5 GT. Crédito:FLOTA
Una colaboración internacional liderada por RMIT publicada esta semana ha logrado un dopaje electrónico récord en un ferromagnet en capas, causando una transición de fase magnética con una promesa significativa para la electrónica futura
El control del magnetismo (o direcciones de giro) por voltaje eléctrico es vital para el desarrollo del futuro, dispositivos espintrónicos y nanoelectrónicos de alta velocidad y baja energía, tales como dispositivos de par de giro en órbita y transistores de efecto de campo de giro.
Carga ultra alta, La transición de fase magnética inducida por dopaje en un ferromagnet en capas permite aplicaciones prometedoras en dispositivos espintrónicos antiferromagnéticos.
La colaboración FLEET de investigadores de RMIT, UNSW, La Universidad de Wollongong y el laboratorio High Magnetic Field Laboratory (China), socio de FLEET, demuestra por primera vez que la concentración de dopaje de electrones ultra alta (superior a 10 21 cm -3 ) se puede inducir en el material metálico estratificado de van der Waals (vdW) Fe 5 Obtener 2 por intercalación de protones, y además puede provocar una transición del estado fundamental magnético del ferromagnetismo al antiferromagnetismo.
Sintonización del magnetismo en el ferromagnet Fe de VDW 5 Obtener 2 (F 5 GT)
La aparición de capas, Los materiales magnéticos vdW han acelerado una búsqueda creciente de nuevos dispositivos espintrónicos vdW.
En comparación con los ferroimanes itinerantes, Los antiferromagnetos (AFM) tienen ventajas únicas como bloques de construcción de tales futuros dispositivos espintrónicos. Su robustez a los campos magnéticos extraviados los hace adecuados para dispositivos de memoria, y los dispositivos de par de giro en órbita basados en AFM requieren una densidad de corriente más baja que la de los ferroimanes.
Sin embargo, actualmente los antiferromagnetos itinerantes vdW son todavía escasos.
Además de sintetizar directamente un antiferromagnet vdW, Otro método posible hacia esta función es inducir una transición de fase magnética en un ferromaimán itinerante vdW existente.
"Elegimos trabajar con ferromagnet itinerante Fe vdW recién sintetizado 5 Obtener 2 (F5GT) ", dice el primer autor del estudio, Investigador FLEET Dr. Cheng Tan (RMIT).
"Nuestra experiencia previa en Fe 3 Obtener 2 ( Comunicación de la naturaleza 2018) nos permitió identificar y evaluar rápidamente las propiedades magnéticas del material, y algunos estudios indican Fe 5 Obtener 2 es sensible a los arreglos atómicos locales y las configuraciones de apilamiento entre capas, lo que significa que sería posible inducir una transición de fase en él mediante el dopaje, ", Dice Cheng.
El equipo investigó en primer lugar las propiedades magnéticas en Fe 5 Obtener 2 nanohojas de varios espesores mediante mediciones de transporte de electrones.
Sin embargo, Los resultados del transporte inicial también muestran que la densidad de electrones en Fe 5 Obtener 2 es alto como se esperaba, lo que indica que el magnetismo es difícil de modular por el voltaje de puerta tradicional debido al efecto de pantalla eléctrica en el metal:
"A pesar de la alta densidad de carga en Fe 5 Obtener 2 , sabíamos que valía la pena intentar ajustar el material a través de la puerta protónica, como lo hemos logrado anteriormente en Fe 3 Obtener 2 ( Cartas de revisión física 2020), debido a que los protones pueden penetrar fácilmente en la capa intermedia e inducir un dopaje de carga grande, sin dañar la estructura de celosía, "dice el coautor, el Dr. Guolin Zheng (también en RMIT).
Un transistor SP-FET, con F 5 Escama de GT en un conductor de protones sólido (SPC) - escala =10 µm. Crédito:FLOTA
Fabricación del transistor de efecto de campo protónico sólido (SP-FET)
Como todos los investigadores de computación clásica más allá de CMOS, el equipo busca construir una forma mejorada del transistor, los interruptores que proporcionan la columna vertebral binaria de la electrónica moderna.
Un transistor de efecto de campo protónico sólido (SP-FET) es uno que cambia según la inserción (intercalación) de protones. A diferencia de los FET de protones tradicionales (que cambian sumergiendo líquido, y se consideran candidatos prometedores para tender un puente entre los sistemas electrónicos y biológicos tradicionales. ), el SP-FET es sólido, y por lo tanto adecuado para su uso en dispositivos reales
Se ha demostrado que el SP-FET es muy poderoso para ajustar materiales metálicos gruesos (es decir, puede inducir un gran nivel de dopaje de carga), que son muy difíciles de modular a través de técnicas tradicionales basadas en dieléctricos o de iones líquidos (debido al efecto de apantallamiento eléctrico en el metal).
Al fabricar un transistor de efecto de campo protónico sólido (SP-FET) con Fe 5 Obtener 2 , el equipo pudo cambiar drásticamente la densidad de portadores en Fe 5 Obtener 2 y cambiar su estado fundamental magnético. El cálculo adicional de la teoría funcional de la densidad confirmó los resultados experimentales.
"Todas las muestras muestran que el estado ferromagnético puede suprimirse gradualmente aumentando la intercalación de protones, y finalmente vemos que varias muestras no muestran bucles de histéresis, que indica el cambio del estado de base magnético, los cálculos teóricos son consistentes con los resultados experimentales, "dice Cheng.
"El éxito de realizar una fase AFM en ferromagnet Fe vdW metálico 5 Obtener 2 nanosheets constituye un paso importante hacia los dispositivos antiferromagnéticos y heteroestructuras vdW que operan a altas temperaturas, "dice el coautor A / Prof Lan Wang (también en RMIT).
"De nuevo, esto demuestra que nuestra técnica de puerta protónica es un arma poderosa en los experimentos de transporte de electrones, y probablemente también en otras áreas ".
El estudio
"Transición de fase magnética controlada por puerta en un imán de van der Waals Fe 5 Obtener 2 "fue publicado en Nano letras en junio de 2021.
Además del apoyo del Australian Research Council, La Fundación de Ciencias Naturales de China también brindó apoyo, el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China, los Fondos Fundamentales de Investigación para las Universidades Centrales, el Programa de Innovación Colaborativa del Centro de Ciencias de Hefei y el Laboratorio de Alto Campo Magnético (China).
La investigación experimental se realizó en RMIT Micro Nano Research Facility (MNRF) en el nodo victoriano de la Australian National Fabrication Facility (ANFF) y RMIT Microscopy and Microanalysis Facility (RMMF). así como el Laboratorio de Alto Campo Magnético (Anhui, Porcelana).
Los dispositivos espintrónicos se estudian dentro de la tecnología de habilitación B en FLEET, un Centro de Excelencia del Consejo de Investigación de Australia. El Center for Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) reúne a más de cien expertos australianos e internacionales, con la misión compartida de desarrollar una nueva generación de electrónica de energía ultrabaja. El ímpetu detrás de este trabajo es el creciente desafío de la energía utilizada en la computación, que utiliza del 5 al 8% de la electricidad mundial y se duplica cada década.
