Een door RMIT geleide internationale samenwerking die deze week is gepubliceerd, heeft een recordhoge elektronendoping bereikt in een gelaagde ferromagneet, het veroorzaken van magnetische faseovergang met een aanzienlijke belofte voor toekomstige elektronica

Controle van magnetisme (of spinrichtingen) door elektrische spanning is van vitaal belang voor het ontwikkelen van toekomstige, low-energy high-speed nano-elektronische en spintronische apparaten, zoals spin-orbit-koppelapparaten en spin-veldeffecttransistoren.

Ultra-hoge lading, door doping geïnduceerde magnetische faseovergang in een gelaagde ferromagneet maakt veelbelovende toepassingen mogelijk in antiferromagnetische spintronische apparaten.

De FLEET-samenwerking van onderzoekers van RMIT, VNW, de University of Wollongong en FLEET-partner High Magnetic Field Laboratory (China) tonen voor het eerst aan dat ultrahoge elektronendopingconcentratie (meer dan 10 ²¹ cm ^-3 ) kan worden geïnduceerd in het gelaagde van der Waals (vdW) metaalmateriaal Fe ₅ GeTe ₂ door protonintercalatie, en kan verder een overgang van de magnetische grondtoestand van ferromagnetisme naar antiferromagnetisme veroorzaken.

Afstemmen van magnetisme in de VDW ferromagneet Fe ₅ GeTe ₂ (F ₅ GT)

De opkomst van gelaagde, vdW magnetische materialen heeft een groeiende zoektocht naar nieuwe vdW-spintronische apparaten versneld.

In vergelijking met rondtrekkende ferromagneten, antiferromagneten (AFM's) hebben unieke voordelen als bouwstenen van dergelijke toekomstige spintronische apparaten. Hun robuustheid tegen magnetische velden maakt ze geschikt voor geheugenapparaten, en de op AFM gebaseerde spin-orbit-torsieapparaten vereisen een lagere stroomdichtheid dan die in ferromagneten.

Momenteel zijn vdW rondreizende antiferromagneten echter nog schaars.

Naast het direct synthetiseren van een vdW antiferromagneet, een andere mogelijke methode voor deze functie is het induceren van een magnetische faseovergang in een bestaande vdW rondreizende ferromagneet.

"We hebben ervoor gekozen om te werken met nieuw gesynthetiseerde vdW rondreizende ferromagneet Fe ₅ GeTe ₂ (F5GT)", zegt de eerste auteur van het onderzoek, FLEET-onderzoeksgenoot Dr. Cheng Tan (RMIT).

"Onze eerdere ervaring op Fe ₃ GeTe ₂ ( Natuurcommunicatie 2018) stelde ons in staat om de magnetische eigenschappen van het materiaal snel te identificeren en te evalueren, en sommige studies geven aan dat Fe ₅ GeTe ₂ is gevoelig voor lokale atomaire rangschikkingen en stapelconfiguraties tussen de lagen, wat betekent dat het mogelijk zou zijn om er een faseovergang in te induceren door doping, ' zegt Chen.

Het team onderzocht eerst de magnetische eigenschappen in Fe ₅ GeTe ₂ nanosheets van verschillende diktes door elektronentransportmetingen.

Echter, de eerste transportresultaten laten ook zien dat de elektronendichtheid in Fe ₅ GeTe ₂ is hoog zoals verwacht, wat aangeeft dat het magnetisme moeilijk te moduleren is door traditionele poortspanning vanwege het elektrische schermeffect in metaal:

"Ondanks de hoge ladingsdichtheid in Fe ₅ GeTe ₂ , we wisten dat het de moeite waard was om het materiaal af te stemmen via protonic gating, zoals we eerder in Fe . hebben bereikt ₃ GeTe ₂ ( Fysieke beoordelingsbrieven 2020), omdat protonen gemakkelijk in de tussenlaag kunnen doordringen en doping met grote lading kunnen veroorzaken, zonder de roosterstructuur te beschadigen, " zegt co-auteur Dr. Guolin Zheng (ook bij RMIT).

Fabriceren van de solide protonische veldeffecttransistor (SP-FET)

Net als alle onderzoekers op het gebied van klassieke computers die verder gaan dan CMOS, het team probeert een verbeterde vorm van de transistor te bouwen, de schakelaars die de binaire ruggengraat van moderne elektronica vormen.

Een solide protonische veldeffecttransistor (SP-FET) is er een die schakelt op basis van invoeging (intercalatie) van protonen. In tegenstelling tot traditionele proton-FET's (die schakelen door vloeistof onder te dompelen, en worden beschouwd als veelbelovende kandidaten voor het overbruggen van traditionele elektronica en biologische systemen. ), de SP-FET is solide, en dus geschikt voor gebruik in echte apparaten

Het is aangetoond dat de SP-FET zeer krachtig is in het afstemmen van dikke metalen materialen (bijv. het kan een hoog dopingniveau veroorzaken), die zeer moeilijk te moduleren zijn via traditionele op diëlektrische of ionenvloeistof gebaseerde technieken (vanwege het elektrische afschermingseffect in metaal).

Door het fabriceren van een solide protonische veldeffecttransistor (SP-FET) met Fe ₅ GeTe ₂ , het team was in staat om de dragerdichtheid in Fe . drastisch te veranderen ₅ GeTe ₂ en verander de magnetische grondtoestand. Verdere berekening van de dichtheidsfunctionaaltheorie bevestigde de experimentele resultaten.

"Alle monsters laten zien dat de ferromagnetische toestand geleidelijk kan worden onderdrukt door de intercalatie van protonen te vergroten, en tot slot zien we dat verschillende samples geen hysteresislussen vertonen, die de verandering van de magnetische grondtoestand aangeeft, de theoretische berekeningen komen overeen met de experimentele resultaten, ' zegt Chen.

"Het succes van het realiseren van een AFM-fase in metalen vdW ferromagneet Fe ₅ GeTe ₂ nanosheets vormt een belangrijke stap op weg naar vdW antiferromagnetische apparaten en heterostructuren die werken bij hoge temperaturen, " zegt co-auteur A/Prof Lan Wang (ook bij RMIT).

"Opnieuw, dit toont aan dat onze protonische poorttechniek een krachtig wapen is in experimenten met elektronentransport, en waarschijnlijk ook op andere gebieden."

De studie

"Poortgestuurde magnetische faseovergang in een van der Waals magneet Fe ₅ GeTe ₂ " werd gepubliceerd in Nano-letters in juni 2021.

Naast de steun van de Australian Research Council, ondersteuning werd ook verleend door Natural Science Foundation of China, het National Key Research and Development Program van China, de Fundamentele Onderzoeksfondsen voor de Centrale Universiteiten, het Collaborative Innovation Program van Hefei Science Center en het High Magnetic Field Laboratory (China).

Experimenteel onderzoek werd uitgevoerd bij de RMIT Micro Nano Research Facility (MNRF) in de Victorian Node van de Australian National Fabrication Facility (ANFF) en de RMIT Microscopy and Microanalysis Facility (RMMF), evenals het High Magnetic Field Laboratory (Anhui, China).

Spintronic-apparaten worden bestudeerd binnen Enabling technology B bij FLEET, een Australian Research Council Centre of Excellence. Het Centre for Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) brengt meer dan honderd Australische en internationale experts samen, met de gedeelde missie om een ​​nieuwe generatie ultra-lage energie-elektronica te ontwikkelen. De drijfveer achter dergelijk werk is de toenemende uitdaging van de energie die wordt gebruikt bij de berekening, die 5-8% van de wereldwijde elektriciteit verbruikt en elk decennium verdubbelt.