science >> Wetenschap >  >> Fysica

Spin fotovoltaïsche effecten in magnetische van der Waals heterostructuren

Fotostroomrespons van CrI3-junctieapparaat. (A) Schematische voorstelling van een vierlaags CrI3-verbindingsapparaat in AFM-grondtoestand (↑↓↑↓), met bovenste en onderste grafeencontacten en hBN-inkapseling. (B) IV-curven van een vierlaagse CrI3-junctie (D2) onder donkere toestand (zwarte curve) en met 1 μW van 1,96-eV laserexcitatie (rode curve). Inzet is een ingezoomde weergave van de gegenereerde fotostroom bij nul bias Iph en nullastspanning Voc. (C) Differentiële reflectie (ΔR/R; zwarte stippen) en fotostroom (Iph; blauwe vierkantjes) als functie van fotonenergie voor drielaagse (3L) CrI3 bij −2 T. De fotostroom wordt gemeten vanaf een drielaags CrI3-verbindingsapparaat (D1 ) met een optisch vermogen van 10 μW. (D) Optisch microscopiebeeld van het 3L CrI3-verbindingsapparaat (D1). Schaalbalk, 5 m. (E en F) Ruimtelijke kaarten van fotostroom en RMCD-signaal gemeten vanaf hetzelfde apparaat bij 0 T met een optisch vermogen van 1 W. Schaalbalken, 5 m. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, 10.1126/sciadv.abg8094

In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Tiancheng Song en een onderzoeksteam van de afdeling natuurkunde, Universiteit van Washington, ONS., en materialen en nano-architectuur in Japan en China, gedetailleerde spin fotovoltaïsche effecten in van der Waals (vdW) heterostructuren van tweedimensionale (2D) magnetische chroomtrijodide (CrI 3 ) ingeklemd door grafeencontacten. Het concept van van der Waals-kristallen en hun heterostructuren zijn van belang in de materiaalwetenschap, toegepaste fysica en opto-elektronica, om de opto-elektronische eigenschappen binnen de tweedimensionale (2D) limiet te onderzoeken. Het is mogelijk om 2D-magneten te integreren om 2D-spin-opto-elektronica te realiseren met gecontroleerde spin-vrijheidsgraden. De fotostroom van de CrI 3 vertoonden een duidelijke afhankelijkheid van lichthelicity, welke Song et al. afgestemd door de magnetische toestanden en fotonenergie te variëren. Het onderzoek benadrukte het potentieel om het opkomende fenomeen van fotospintronica te bestuderen door magnetische vdW-heterostructuren te ontwikkelen.

Spin fotovoltaïsche effecten

Spintronica heeft tot doel de spinvrijheidsgraad in elektronische systemen te reguleren om nieuwe functies mogelijk te maken. Het genereren en beheersen van spins kan nieuwe opkomende kansen in spin-elektronica openen om nieuwe fotovoltaïsche spin-effecten en spin-fotostromen te verkennen. De spin fotovoltaïsche effecten kunnen worden gerealiseerd met behulp van verschillende mechanismen in verschillende heterostructuren, waaronder tweedimensionale materialen zoals overgangsmetaal dichalcogeniden een veelbelovend systeem zijn voor spin-opto-elektronica. De ontdekking van 2D-magneten van Van der Waals heeft wetenschappers een nieuw platform geboden om spin-fotovoltaïsche effecten te bestuderen op basis van atomair dunne materialen met intrinsieke magnetische orde. Van deze, chroomtrijodide is interessant vanwege het gelaagde antiferromagnetisme (AFM), waar de spinconfiguraties kunnen worden geregeld door een omringend magnetisch veld. Het veld kan het monster schakelen tussen de AFM-grondtoestanden en volledig spin-gepolariseerde toestanden via een reeks flip-overgangen. De opstelling biedt een ideaal platform om de spin-opto-elektronische effecten op de atomair dunne limiet te benadrukken.

Heliciteitsafhankelijkheid van fotostroom in drielaagse CrI3. (A) Fotostroom als functie van kwartgolfplaathoek voor ↑↑↑-toestand (2 T, rode stippen) en ↓↓↓ staat (−2 T, zwarte stippen) gemeten vanaf het drielaagse CrI3-overgangsapparaat (D1) met een optisch vermogen van 10 μW. Verticale pijlen vertegenwoordigen lineair gepolariseerd licht. (B) De verandering in fotostroom [ΔIph [σ+ − σ−] =Iph(σ+) − Iph(σ−)] als functie van μ0H gemeten vanaf hetzelfde apparaat met een optisch vermogen van 10 μW. De mate van heliciteit ΔIph [σ+ − σ−]/(Iph(σ+) + Iph(σ−) gegeven op de rechteras. Inzetstukken tonen de overeenkomstige magnetische toestanden en het schema van het apparaat met circulair gepolariseerde lichtexcitatie. (C) RMCD als functie van μ0H voor hetzelfde apparaat. Inzetstukken tonen de bijbehorende magnetische toestanden en het optische microscopiebeeld van het apparaat (D1). Schaalbalk, 15 m. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, 10.1126/sciadv.abg8094

Fotostroomrespons van de CrI 3 verbindingsapparaat en zijn afhankelijkheid van magnetische orde

De onderzoekers ontwikkelden een verticale heterostructuur om de fotostroomrespons van CrI . te bestuderen 3 en om efficiënte fotodetectie mogelijk te maken. De heterostructuur bevatte een atomair dunne CrI 3 vlok ingeklemd tussen twee grafeenplaten als bias-elektroden ingekapseld door dun hexagonaal boornitride om degradatie te voorkomen. Met behulp van fotostroommicroscopie, Song et al. onderzocht verder de ruimtelijke verdeling van de fotostroom en gebruikte reflecterend magnetisch circulair dichroïsme om de drielaagse CrI . in kaart te brengen 3 vlok, waarbij de fotostroomrespons een sterke afhankelijkheid van magnetische orde vertoonde. Het team wees de lage en hoge fotostroomplateaus toe aan de antiferromagnetisme grondtoestanden en aan de volledig spin-gepolariseerde toestanden. Ter vergelijking, de tussenliggende magnetische toestanden resulteerden in een lagere fotostroom. De optische excitatie genereerde foto-geëxciteerde dragers in de geleidingsbanden waar asymmetrische extractie door de bovenste en onderste grafeenelektroden resulteerde in de gemeten fotostroom. Het hier gepresenteerde spin-opto-elektronische apparaat zorgde voor een nieuw foto-magnetisch-stroomeffect in vergelijking met gigantische magnetoweerstand- en tunnelmagnetoweerstandsapparaten. De resulterende gigantische en afstembare foto-magnetische stroom was nuttig voor optisch aangedreven magnetische detectie- en gegevensopslagapparaten.

  • Afhankelijkheid van fotostroom op magnetische orde van vierlaags CrI3. (A) Fotostroom als functie van extern magnetisch veld (μ0H) gemeten vanaf het vierlaagse (4L) CrI3-junctieapparaat (D2) met een optisch vermogen van 1 μW. Groene (oranje) curve komt overeen met afnemend (toenemend) magnetisch veld. (B) RMCD als functie van μ0H voor hetzelfde apparaat. Inzetstukken tonen de overeenkomstige magnetische toestanden en het optische microscopiebeeld van het apparaat (D2). (C) Tunnelstroom (It) als een functie van μ0H gemeten vanaf hetzelfde apparaat bij 80 mV bias onder donkere omstandigheden. Insets zijn schema's van het apparaat met laserexcitatie en onder donkere toestand. (D) Iph-V-curven voor de vierlaagse CrI3 in de AFM-grondtoestand (↑↓↑↓, 0 T, zwarte curve) en de volledig spin-gepolariseerde toestand (↑↑↑↑, 2,5T, rode bocht). (E) Omvang van de foto-magnetostroomverhouding als functie van de bias die is geëxtraheerd uit de Iph-V-curven in (D). De rode arcering geeft het biasbereik aan waar |MCph| neigt naar oneindig. Inzet is een ingezoomde weergave van de Iph-V-curven in (D). Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, 10.1126/sciadv.abg8094

  • Fotostroom in kaart brengen in vierlaags CrI3. (A) Optisch microscopiebeeld van het vierlaagse CrI3-verbindingsapparaat (D2) (schaalbalk, 3 µm). (B) en (C) Ruimtelijke kaarten van fotostroom en RMCD-signaal gemeten vanaf hetzelfde apparaat bij 2,5 T met een optisch vermogen van 1 W (schaalbalk, 3 µm). Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, 10.1126/sciadv.abg8094

Afhankelijkheid van de fotostroom van lichtheliciteit en andere effecten

Song et al. toonde de afhankelijkheid van de fotostroom op lichthelicity met behulp van een drielaagse CrI 3 apparaat met 1,96 eV excitatie. Het resulterende unieke spin-fotovoltaïsche effect is afkomstig van de heliciteitsafhankelijkheid van ladingsoverdracht-excitonen in CrI 3 gekoppeld aan de onderliggende magnetische orde. De absorptie van de heliciteitsafhankelijkheid van het apparaat onthulde de optische selectieregels van de ladingsoverdrachtsovergangen tussen de spin-gepolariseerde valentie- en geleidingsbanden om het resulterende snelheidsafhankelijke spin-fotovoltaïsche effect te vormen. Verdere waarnemingen bevestigden ook dat de onderliggende magnetische orde de oorsprong is van de heliciteitsafhankelijkheid van de excitonen voor ladingsoverdracht.

Samenspel tussen magnetische orde en fotonhelicity in absorptie en fotostroom van 3L CrI3. (A) Heliciteitsafhankelijke ΔR/R-spectra voor alle vier de magnetische toestanden van 3L CrI3 bij geselecteerde magnetische velden. Rode (blauwe) stippen komen overeen met σ+ (σ−) fotonhelicity. Inzetstukken tonen de overeenkomstige magnetische toestanden en het optische microscopiebeeld van een drielaagse CrI3 op saffier. (B) Fotostroom als functie van kwartgolfplaathoek voor ↑↑↑-toestand (2 T, rode stippen) en ↓↓↓ staat (−2 T, zwarte stippen) gemeten met drie geselecteerde foton-energieën aangegeven door de stippellijnen in (A). (C) ΔR/R heliciteitsverschil [(ΔR/R(σ+) − ΔR/R(σ−), curve] en de overlappende verandering in fotostroom [ΔIph [σ+ − σ−] =Iph(σ+) − Iph(σ−), kwadraten] als functie van fotonenergie voor ↑↑↑ toestand (2 T, rood) en ↓↓↓ staat (−2 T, zwart). Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, 10.1126/sciadv.abg8094

Outlook

Op deze manier, Tiancheng Song et al. bestudeerde de spin fotovoltaïsche effecten in atomair dunne CrI 3 van der Waals heterostructuren. De fotostromen vertoonden verschillende reacties op de spinconfiguraties in CrI 3 naast een gigantisch foto-magneetstroomeffect. De gecombineerde heliciteitsafhankelijke fotostroom en circulaire polarisatie-opgeloste absorptiemetingen onthulden het samenspel tussen de spin-fotostroom en de onderliggende excitonen, evenals bijdragen van de magnetische orde, fotonenergie en heliciteit. Het hier ontwikkelde 2D-fotovoltaïsche apparaat gebruikte de intrinsieke magnetische volgorde in enkele CrI .-lagen 3 als proof-of-concept. De resulterende atomair dunne CrI 3 vormde een archetypische 2D-magneet om de fotostroom te bestuderen die wordt gegenereerd in een verticaal junctieapparaat. Het apparaat kan worden aangepast met alternatieve 2D-magneten voor mogelijke toepassingen in magnetische detectie en gegevensopslag. De onderliggende dynamiek van aan magnetische orde gekoppelde excitontoestanden met ladingsoverdracht zou een fotostroom kunnen genereren om de magnetische orde in CrI te onderzoeken 3 en vertonen verschillende reacties op fotonenergie en heliciteit. De resultaten benadrukken toepassingen van de fotostroom als een nieuwe methode om magnetische orde te onderzoeken, ladingsoverdracht excitontoestanden en magneto-exciton-fotonkoppeling. De aanpak kan worden gebruikt om andere 2D-magnetische systemen te bestuderen, waaronder de dynamiek van zig-zag antiferromagnetische ordergekoppelde excitonen en ladingsoverdrachtsprocessen op grafeeninterfaces.

© 2021 Science X Network




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Is er een gen voor elke ziekte?
  2. Welke organen helpen het menselijk lichaam zich te ontdoen van verspillingen geproduceerd door cellen?
  3. De vreemde empathie van plaatsvervangende schaamte
  4. Kwallen veranderen van hinderlijk in nuttig product
  5. Naar huis vliegen? IJstijd heeft de vogeltrek mogelijk afgeremd
  6. 2 kiwivogels zijn zeldzaam lichtpuntje in grimmig uitstervingsrapport
  7. Kunnen we onze organen klonen voor gebruik bij een transplantatie?
  8. Nieuwe studie laat zien hoe vogels samenwerken om samen te zingen
  9. Science Project on Why Bones krijgt Rubbery in Azijn

Wetenschap