Fotoströmsvar från CrI3-övergångsanordning. (A) Schematisk över en CrI3-övergångsenhet i fyra lager i AFM-jordtillstånd (↑↓↑↓), med topp- och bottengrafenkontakter och hBN-inkapsling. (B) I-V-kurvor för en fyra-lagers CrI3-korsning (D2) under mörkt tillstånd (svart kurva) och med 1 μW 1,96-eV laserexcitation (röd kurva). Insättning är en inzoomad vy av den genererade fotoströmmen vid noll förspänning Iph och öppen kretsspänning Voc. (C) Differentialreflektans (ΔR/R; svarta prickar) och fotoström (Iph; blå rutor) som en funktion av fotonenergi för treskikts (3L) CrI3 vid -2 T. Fotoströmmen mäts från en treskikts CrI3-övergångsanordning (D1) ) med en optisk effekt på 10 μW. (D) Optisk mikroskopibild av 3L CrI3-kopplingsanordningen (D1). Skalstång, 5 μm. (E och F) Rumsliga kartor av fotoström och RMCD-signal mätt från samma enhet vid 0 T med en optisk effekt på 1 μW. Skala staplar, 5 μm. Kredit:Science Advances, 10.1126/sciadv.abg8094
I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Tiancheng Song och ett forskarteam vid institutionen för fysik, University of Washington, U.S., och material och nanoarkitektronik i Japan och Kina, detaljerade fotovoltaiska spinneffekter i van der Waals (vdW) heterostrukturer av tvådimensionell (2D) magnetisk kromtrijodid (CrI) 3 ) inklämda av grafenkontakter. Begreppet van der Waals kristaller och deras heterostrukturer är av intresse inom materialvetenskap, tillämpad fysik och optoelektronik, att utforska de optoelektroniska egenskaperna inom den tvådimensionella (2D) gränsen. Det är möjligt att integrera 2D-magneter för att realisera 2D-spin-optoelektronik med kontrollerade spinnfrihetsgrader. Fotoströmmen av CrI 3 visade ett distinkt beroende av ljusspiral, vilken Song et al. avstämda genom att variera de magnetiska tillstånden och fotonenergin. Forskningen visade på potentialen att studera det framväxande fenomenet fotopintronik genom att konstruera magnetiska vdW-heterostrukturer.
Spin fotovoltaiska effekter
Spintronics syftar till att reglera spinnfrihetsgraden i elektroniska system för att underlätta nya funktioner. Generering och kontroll av snurr kan öppna nya framväxande möjligheter inom spinnelektronik för att utforska nya spinnfotovoltaiska effekter och spinnfotoströmmar. Spinnfotovoltaiska effekter kan realiseras med hjälp av olika mekanismer i olika heterostrukturer, bland vilka tvådimensionella material såsom dikalkogenider av övergångsmetall är ett lovande system för spin-optoelektronik. Upptäckten av 2D van der Waals-magneter har gett forskare en ny plattform för att studera spin-fotovoltaiska effekter baserade på atomärt tunna material med inneboende magnetisk ordning. Av dessa, kromtrijodid är av intresse på grund av dess skiktade antiferromagnetism (AFM), där spinnkonfigurationerna kan regleras av ett omgivande magnetfält. Fältet kan växla provet mellan AFM-grundtillstånden och helt spinnpolariserade tillstånd via en serie flip-övergångar. Installationen ger en idealisk plattform för att framhäva de spin-optoelektroniska effekterna vid den atomärt tunna gränsen.
Helicitetsberoende av fotoström i treskikts CrI3. (A) Fotoström som funktion av kvartsvågsplattans vinkel för ↑↑↑ tillstånd (2 T, röda prickar) och ↓↓↓ tillstånd (−2 T, svarta prickar) mätt från treskikts CrI3-övergångsanordningen (D1) med en optisk effekt på 10 μW. Vertikala pilar representerar linjärt polariserat ljus. (B) Förändringen i fotoström [ΔIph [σ+ − σ−] =Iph(σ+) − Iph(σ−)] som en funktion av μ0H mätt från samma enhet med en optisk effekt på 10 μW. Graden av helicitet ΔIph [σ+ − σ−]/(Iph(σ+) + Iph(σ−) ges på höger axel. Infällningar visar motsvarande magnetiska tillstånd och schematiskt för enheten med cirkulärt polariserad ljusexcitation. (C) RMCD som en funktion av μ0H för samma enhet. Infällningar visar motsvarande magnetiska tillstånd och den optiska mikroskopibilden av enheten (D1). Skalstapel, 15 μm. Kredit:Science Advances, 10.1126/sciadv.abg8094 
Forskarna utvecklade en vertikal heterostruktur för att studera fotoströmsvaret hos CrI 3 och för att möjliggöra effektiv fotodetektion. Heterostrukturen innehöll en atomär tunn CrI 3 flingor inklämda av två grafenark som förspänningselektroder inkapslade av tunn hexagonal bornitrid för att förhindra nedbrytning. Med hjälp av fotoströmmikroskopi, Song et al. undersökte vidare den rumsliga fördelningen av fotoströmmen och använde reflekterande magnetisk cirkulär dikroism för att kartlägga triskiktet CrI 3 flaga, där fotoströmsvaret visade ett starkt beroende av magnetisk ordning. Teamet tilldelade de låga och höga fotoströmplatåerna till antiferromagnetisms grundtillstånd och till de helt spinnpolariserade tillstånden. Jämförelsevis, de mellanliggande magnetiska tillstånden resulterade i en lägre fotoström. Den optiska exciteringen genererade fotoexciterade bärare i ledningsbanden där asymmetrisk extraktion av de övre och nedre grafenelektroderna resulterade i den uppmätta fotoströmmen. Den spin-optoelektroniska enheten som presenteras här gav en ny foto-magnetoströmeffekt jämfört med gigantiska magnetoresistans- och tunnelmagnetoresistansenheter. Den resulterande gigantiska och avstämbara fotomagnetoströmmen var användbar för optiskt drivna magnetiska avkännings- och datalagringsenheter.
Beroende av fotoström på magnetisk ordning av fyra lager CrI3. (A) Fotoström som en funktion av externt magnetfält (μ0H) mätt från den fyrskiktiga (4L) CrI3-övergångsenheten (D2) med en optisk effekt på 1 μW. Grön (orange) kurva motsvarar minskande (ökande) magnetfält. (B) RMCD som en funktion av μ0H för samma enhet. Infällningar visar motsvarande magnetiska tillstånd och den optiska mikroskopibilden av enheten (D2). (C) Tunnelström (It) som en funktion av μ0H mätt från samma enhet vid 80 mV förspänning under mörkt tillstånd. Infällningar är scheman över enheten med laserexcitering och under mörkt tillstånd. (D) Iph-V-kurvor för fyrskikts CrI3 i AFM-grundtillstånd (↑↓↑↓, 0 T, svart kurva) och det helt spinnpolariserade tillståndet (↑↑↑↑, 2,5 T, röd kurva). (E) Storleken på foto-magnetoströmförhållandet som en funktion av bias extraherad från Iph-V-kurvorna i (D). Den röda skuggningen anger biasintervallet där |MCph| tenderar till oändligheten. Infällt är en inzoomad vy av Iph-V-kurvorna i (D). Kredit:Science Advances, 10.1126/sciadv.abg8094
Fotoströmmappning i fyra lager CrI3. (A) Optisk mikroskopibild av CrI3-övergångsanordningen i fyra lager (D2) (skalbar, 3 µm). (B) och (C) Rumsliga kartor av fotoström och RMCD-signal uppmätt från samma enhet vid 2,5 T med en optisk effekt på 1 µW (skalbar, 3 µm). Kredit:Science Advances, 10.1126/sciadv.abg8094
Fotoströmmens beroende av ljusspiral och andra effekter
Song et al. visade fotoströmmens beroende av ljusspiral med användning av en treskikts CrI 3 enhet med 1,96 eV excitation. Den resulterande unika fotovoltaiska spinneffekten härrörde från helicitetsberoendet av laddningsöverföringsexcitoner i CrI 3 kopplat till den underliggande magnetiska ordningen. Helicitetsberoendeabsorptionen av enheten avslöjade de optiska urvalsreglerna för laddningsöverföringsövergångarna mellan de spinnpolariserade valens- och ledningsbanden för att bilda den resulterande hastighetsberoende fotovoltaiska spinneffekten. Ytterligare observationer bekräftade också att den underliggande magnetiska ordningen är ursprunget till laddningsöverföringsexcitonernas helicitetsberoende.
Samspel mellan magnetisk ordning och fotonhelicitet i absorption och fotoström av 3L CrI3. (A) Helicitetsberoende ΔR/R-spektra för alla fyra magnetiska tillstånden av 3L CrI3 vid utvalda magnetfält. Röda (blå) prickar motsvarar σ+ (σ−) fotonhelicitet. Insättningar visar motsvarande magnetiska tillstånd och den optiska mikroskopibilden av en treskikts CrI3 på safir. (B) Fotoström som funktion av kvartsvågsplattans vinkel för ↑↑↑ tillstånd (2 T, röda prickar) och ↓↓↓ tillstånd (−2 T, svarta prickar) mätt med tre valda fotonenergier indikerade med de streckade linjerna i (A). (C) ΔR/R helicitetsskillnad [(ΔR/R(σ+) − ΔR/R(σ−), kurva] och den överlagrade förändringen i fotoström [ΔIph [σ+ − σ−] =Iph(σ+) − Iph(σ−), kvadrater] som en funktion av fotonenergi för ↑↑↑ tillstånd (2 T, röd) och ↓↓↓ tillstånd (−2 T, svart). Kredit:Science Advances, 10.1126/sciadv.abg8094
Syn
På det här sättet, Tiancheng Song et al. studerade de fotovoltaiska spin-effekterna i atomärt tunt CrI 3 van der Waals heterostrukturer. Fotoströmmarna visade distinkta svar på spinnkonfigurationerna i CrI 3 tillsammans med en gigantisk foto-magnetoströmeffekt. De kombinerade helicitetsberoende fotoströmmen och cirkulär polarisationsupplösta absorptionsmätningarna avslöjade samspelet mellan spinnfotoströmmen och de underliggande excitonerna, såväl som bidrag av den magnetiska ordningen, fotonenergi och helicitet. Den 2D-fotovoltaiska enheten som utvecklats här använde den inneboende magnetiska ordningen i få lager CrI 3 som ett proof-of-concept. Den resulterande atomärt tunna CrI 3 bildade en arketypisk 2D-magnet för att studera den fotoström som genereras i en vertikal kopplingsanordning. Enheten kan anpassas med alternativa 2D-magneter för potentiella tillämpningar inom magnetisk avkänning och datalagring. Den underliggande dynamiken hos magnetiska ordningskopplade excitontillstånd för laddningsöverföring kan generera en fotoström för att undersöka den magnetiska ordningen i CrI 3 och visa distinkta svar på fotonenergi och helicitet. Resultaten framhäver tillämpningar av fotoström som en ny metod för att undersöka magnetisk ordning, laddningsöverföringsexcitontillstånd och magnetoexciton-fotonkoppling. Tillvägagångssättet kan användas för att studera andra 2D-magnetiska system inklusive dynamiken hos sicksack-antiferromagnetiska ordningskopplade excitoner och laddningsöverföringsprocesser vid grafengränssnitt.
© 2021 Science X Network
