Una heteroestructura construida con capa inferior antiferromagnética (FePS 3 ) y capa superior ferromagnética (Fe5 Obtener2 ). Crédito:Nano letras
Una colaboración internacional dirigida por RMIT ha observado, por primera vez, un efecto de polarización de intercambio controlado por puerta eléctrica en heteroestructuras de van der Waals (vdW), lo que ofrece una plataforma prometedora para la futura electrónica más allá de CMOS con eficiencia energética.
El efecto de polarización de intercambio (EB), que se origina en el acoplamiento magnético entre capas, ha desempeñado un papel importante en la espintrónica y el magnetismo fundamental desde su descubrimiento.
Aunque manipular el efecto EB mediante una puerta electrónica ha sido un objetivo importante en la espintrónica, hasta ahora, solo se han demostrado efectos EB sintonizables eléctricamente muy limitados.
Los efectos EB manipulados por compuertas eléctricas en las estructuras AFM-FM permiten una lógica de órbita giratoria escalable y eficiente en energía, lo cual es muy prometedor para los dispositivos más allá de COMS en futuras tecnologías electrónicas de baja energía.
La temperatura de "bloqueo" del efecto EB se puede ajustar de manera efectiva a través de una puerta eléctrica, lo que permitiría que el campo EB se "ENCENDIDA" y "APAGADO" también en futuros transistores espintrónicos.
La colaboración liderada por FLEET de investigadores de la Universidad RMIT (Australia) y la Universidad Tecnológica del Sur de China (China) confirma por primera vez el control eléctrico del efecto EB en una heteroestructura vdW.
Realización de efectos de sesgo de intercambio en heteroestructuras AFM-FM
La aparición de materiales magnéticos vdW impulsa el desarrollo de dispositivos magnéticos y espintrónicos vdW y proporciona una plataforma ideal para explorar mecanismos de acoplamiento magnético intrínsecamente interfaciales.
El dispositivo:un transistor de efecto de campo de protones sólidos (SP-FET) monta la heteroestructura AFM-FM dentro de un contacto eléctrico (oro), montado en un conductor protónico sólido (SPC) y un electrodo de compuerta (Pt). Crédito:Nano letras
La manipulación del efecto EB, que se origina en la anisotropía unidireccional inducida por el acoplamiento de la interfaz AFM-FM, mediante una puerta electrónica es un objetivo importante en la espintrónica. Hasta la fecha, se han demostrado experimentalmente efectos EB sintonizables eléctricamente muy limitados en algunos sistemas de película delgada de óxido multiferroico. Aunque las heteroestructuras magnéticas vdW han proporcionado plataformas mejoradas para investigar los efectos de EB, estas heteroestructuras aún no han mostrado efectos de EB controlados por puertas eléctricas.
"Habíamos obtenido mucha experiencia en nanodispositivos basados en heteroestructura vdW y decidimos que era hora de utilizar algunos métodos, como puertas eléctricas, para controlar las propiedades magnéticas en bicapas FM/AFM", dice el primer autor del estudio, FLEET. Investigador Dr. Sultan Albarakati (RMIT).
"Además, estamos familiarizados con la intercalación de protones, que es una herramienta eficaz para modular la densidad de carga de los materiales".
El equipo diseñó una estructura de nanodispositivo con una tricapa de FM/AFM/conductor de protones sólido y eligió un material vdW con una temperatura de Neel más alta, FePS3 , para que sirva como capa AFM.
"La elección de la capa FM fue un poco complicada", dice el coautor Dr. Cheng Tan (RMIT).
"Según nuestros resultados anteriores, el efecto EB podría ocurrir en Fe3 intercalado con protones Obtener2 , mientras que en Fe5 Obtener2 (F5GT) de varios espesores, la intercalación de protones no puede resultar en ningún efecto EB. Por lo tanto, elegimos F5GT como la capa FM", dice Cheng.
Así, la heteroestructura resultante comprendía:
Obtención de imágenes del dispositivo mediante microscopio óptico (izquierda) y microscopio de fuerza atómica (derecha). Crédito:Nano letras
En general, el efecto EB se considera un efecto de interfaz y se espera que disminuya si se aumenta el espesor de la capa FM. Mientras que los nano-flakes F5GT más delgados (<10 nm) pueden generar una coercitividad extremadamente grande (Hc ~2 T) debido a la fijación del defecto intracapa, esto hace que sea más difícil generar el efecto EB en una bicapa FM/AFM porque la barrera de energía inducida por la fijación del defecto es potencialmente mayor que la de la anisotropía unidireccional.
"Nuestras observaciones experimentales son consistentes con esto", explica el coautor Dr. Guolin Zheng (RMIT). "No se producen efectos EB cuando el grosor de F5GT es inferior a 10 nm. Afortunadamente, después de muchas pruebas, encontramos que el efecto EB puede sobrevivir en las heterointerfaces FPS-F5GT cuando el grosor de la capa F5GT está dentro del rango de 12 nanómetro a 20 nanómetro."
"Entonces podríamos explorar más a fondo los efectos de las intercalaciones de protones en FPS-F5GT". dice Guolin.
Controlar eléctricamente el efecto de polarización del intercambio a través de la intercalación de protones
Luego, el equipo realizó con éxito la intercalación de protones en FPS-F5GT y observó el cambio de los campos EB bajo diferentes voltajes de puerta.
"La temperatura de bloqueo del efecto EB se puede ajustar de manera efectiva a través de una puerta eléctrica. Y lo que es más interesante, el campo EB se puede encender y apagar repetidamente bajo varios voltajes de puerta", dice Guolin.
Otros cálculos teóricos realizados por un colaborador de la Universidad Tecnológica del Sur de China confirman que las intercalaciones de protones no solo ajustan el acoplamiento de intercambio magnético promedio, sino que también cambian las configuraciones antiferromagnéticas en el FePS3 capa.
"Los efectos EB dependientes de la puerta pueden explicarse bien en función de nuestros cálculos", dice el autor colaborador A/Prof Lan Wang (también en RMIT). "Bajo diferentes intercalaciones de protones, la energía de anisotropía unidireccional inducida por el acoplamiento AFM-FM afectado y la transformación de FPS3 entre un AFM no compensado y un AFM compensado conducen a varios fenómenos interesantes".
"Una vez más, este estudio es un paso importante hacia la lógica magnética basada en heteroestructura vdW para la futura electrónica de baja energía".
El estudio fue publicado en Nano Letters . Transformando un ferromagneto en capas para la futura espintrónica
