Управление магнетизмом (или направлениями вращения) с помощью электрического напряжения жизненно важно для разработки будущих низкоэнергетических высокоскоростных наноэлектронных и спинтронных устройств, таких как устройства вращающего момента с орбитой вращения и спин-полевые транзисторы.
Магнитный фазовый переход сверхвысокого заряда, индуцированный легированием в слоистом ферромагнетике, открывает перспективные применения в устройствах антиферромагнитной спинтроники.
Сотрудничество FLEET исследователей из RMIT, UNSW, Университета Вуллонгонга и партнерской лаборатории FLEET High Magnetic Field Laboratory (Китай) впервые демонстрирует, что сверхвысокая концентрация электронного легирования (выше 1021 см-3) может быть индуцирована в слоистом фургоне. der Waals (vdW) металлический материал Fe5GeTe2 путем интеркаляции протонов и может дополнительно вызывать переход основного магнитного состояния от ферромагнетизма к антиферромагнетизму.
НАСТРОЙКА МАГНИТИЗМА В VDW FERROMAGNET Fe5GeTe2 (F5GT)
Появление слоистых vdW-магнитных материалов ускорило растущий поиск новых vdW-спинтронных устройств.
По сравнению с странствующими ферромагнетиками, антиферромагнетики (AFM) обладают уникальными преимуществами в качестве строительных блоков таких будущих устройств спинтроники. Их устойчивость к паразитным магнитным полям делает их подходящими для запоминающих устройств, а спин-орбитальные вращающие устройства на основе АСМ требуют более низкой плотности тока, чем в ферромагнетиках.
Однако в настоящее время передвижных антиферромагнетиков vdW все еще мало.
Помимо прямого синтеза vdW-антиферромагнетика, еще один возможный метод достижения этой функции – вызвать магнитный фазовый переход в существующем vdW-коллективизированном ферромагнетике.
«Мы решили работать с недавно синтезированным vdW-передвижным ферромагнетиком Fe5GeTe2 (F5GT)», – говорит первый автор исследования, научный сотрудник FLEET д-р Ченг Тан (RMIT).
«Наш предыдущий опыт работы с Fe3GeTe2 (Nature Communication 2018) позволил нам быстро идентифицировать и оценить магнитные свойства материала, а некоторые исследования показывают, что Fe5GeTe2 чувствителен к локальным атомным расположениям и межслойным конфигурациям наложения, что означает возможность индуцировать фазовый переход в это путем допинга ", – говорит Ченг.
Команда впервые исследовала магнитные свойства в нанолистах Fe5GeTe2 различной толщины с помощью измерений переноса электронов.
Однако первоначальные результаты переноса также показывают, что концентрация электронов в Fe5GeTe2 высока, как и ожидалось, что указывает на то, что магнетизм трудно модулировать традиционным затворным напряжением из-за эффекта электрического экрана в металле:
«Несмотря на высокую плотность заряда в Fe5GeTe2, мы знали, что стоит попытаться настроить материал с помощью протонного стробирования, как мы ранее достигли в Fe3GeTe2 (Physical Review Letters 2020), потому что протоны могут легко проникать в промежуточный слой и вызывать легирование большого заряда , не повреждая решетчатую структуру ", – говорит соавтор доктор Гуолин Чжэн (также из RMIT).
Изготовление твердого протонного полевого транзистора (SP-FET)
Как и все исследователи классических вычислений за пределами КМОП, команда стремится создать улучшенную форму транзистора, переключатели, которые обеспечивают двоичную основу современной электроники.
Твердый протонный полевой транзистор (SP-FET) – это транзистор, который переключается на основе вставки (интеркаляции) протонов.
В отличие от традиционных протонных полевых транзисторов (которые переключаются путем погружения в жидкость и считаются многообещающими кандидатами для соединения традиционной электроники и биологических систем). ), SP-FET прочный и поэтому подходит для использования в реальных устройствах
Было продемонстрировано, что SP-FET очень эффективен при настройке толстых металлических материалов (т. Е. Он может вызывать большой уровень легирования заряда), которые очень трудно модулировать с помощью традиционных методов стробирования на основе диэлектрика или ионно-жидкостной вентиляции (из-за эффекта электрического экранирования в металл).
Создав твердый протонный полевой транзистор (SP-FET) с Fe5GeTe2, команда смогла резко изменить плотность носителей в Fe5GeTe2 и изменить его основное магнитное состояние.
Дальнейший расчет теории функционала плотности подтвердил экспериментальные результаты.
«Все образцы показывают, что ферромагнитное состояние может быть постепенно подавлено за счет увеличения интеркаляции протонов, и, наконец, мы видим, что некоторые образцы не показывают петель гистерезиса, что указывает на изменение основного магнитного состояния, теоретические расчеты согласуются с экспериментальными результатами», говорит Ченг.
«Успех реализации AFM фазы в металлических нанолистах Fe5GeTe2 из ферромагнетика с vdW является важным шагом на пути к антиферромагнитным устройствам и гетероструктурам с vdW, которые работают при высоких температурах», – говорит соавтор A / профессор Лан Ван (также из RMIT).
"Опять же, это демонстрирует, что наша техника протонных ворот является мощным оружием в экспериментах по переносу электронов и, вероятно, в других областях."