Kristallstruktur och initial karaktärisering av F 5 GT. Kredit:FLEET
Ett RMIT-ledd internationellt samarbete som publicerades denna vecka har uppnått rekordhög elektrondopning i en skiktad ferromagnet, orsakar magnetisk fasövergång med betydande löfte för framtida elektronik
Styrning av magnetism (eller spinnriktningar) med elektrisk spänning är avgörande för att utveckla framtiden, lågenergi höghastighets nanoelektroniska och spintroniska enheter, såsom spin-orbit vridmomentenheter och spin field-effekt transistorer.
Ultrahög laddning, dopningsinducerad magnetisk fasövergång i en skiktad ferromagnet möjliggör lovande tillämpningar i antiferromagnetiska spintroniska enheter.
FLEET-samarbetet mellan forskare vid RMIT, UNSW, University of Wollongong och FLEET-partnern High Magnetic Field Laboratory (Kina) visar för första gången att ultrahög elektrondopningskoncentration (över 10 21 centimeter -3 ) kan induceras i det skiktade van der Waals (vdW) metalliska materialet Fe 5 GeTe 2 genom protoninterkalering, och kan vidare orsaka en övergång av det magnetiska grundtillståndet från ferromagnetism till antiferromagnetism.
Tuning magnetism i VDW ferromagnet Fe 5 GeTe 2 (F 5 GT)
Uppkomsten av lager, vdW magnetiska material har påskyndat ett växande sökande efter nya vdW spintronic-enheter.
Jämfört med ambulerande ferromagneter, antiferromagneter (AFM) har unika fördelar som byggstenar för sådana framtida spintroniska enheter. Deras robusthet mot strömagnetiska fält gör dem lämpliga för minnesenheter, och de AFM-baserade spin-orbit vridmomentenheterna kräver en lägre strömtäthet än den i ferromagneter.
Men för närvarande är vdW ambulerande antiferromagneter fortfarande få.
Förutom att direkt syntetisera en vdW antiferromagnet, en annan möjlig metod för denna funktion är att inducera en magnetisk fasövergång i en befintlig vdW ambulerande ferromagnet.
"Vi valde att arbeta med nysyntetiserad vdW ambulerande ferromagnet Fe 5 GeTe 2 (F5GT)", säger studiens första författare, FLEET-forskare Dr. Cheng Tan (RMIT).
"Vår tidigare erfarenhet av Fe 3 GeTe 2 ( Naturkommunikation 2018) gjorde det möjligt för oss att snabbt identifiera och utvärdera materialets magnetiska egenskaper, och vissa studier indikerar Fe 5 GeTe 2 är känslig för lokala atomarrangemang och staplingskonfigurationer mellan skikt, vilket innebär att det skulle vara möjligt att inducera en fasövergång i den genom dopning, " säger Cheng.
Teamet undersökte först de magnetiska egenskaperna i Fe 5 GeTe 2 nanoskivor av olika tjocklekar genom elektrontransportmätningar.
Dock, de initiala transportresultaten visar också att elektrontätheten i Fe 5 GeTe 2 är hög som förväntat, vilket indikerar att magnetismen är svår att modulera av traditionell gate-spänning på grund av den elektriska skärmeffekten i metall:
"Trots den höga laddningstätheten i Fe 5 GeTe 2 , vi visste att det var värt att försöka stämma materialet via protonisk grind, som vi tidigare uppnått i Fe 3 GeTe 2 ( Fysiska granskningsbrev 2020), eftersom protoner lätt kan tränga in i mellanskiktet och inducera doping med stor laddning, utan att skada gallerstrukturen, säger medförfattaren Dr. Guolin Zheng (även på RMIT).
En SP-FET transistor, med F 5 GT-flake på en solid protonledare (SPC) – skala =10µm. Kredit:FLEET
Tillverkar den solida protoniska fälteffekttransistorn (SP-FET)
Som alla forskare utanför CMOS med klassiska datorer, teamet försöker bygga en förbättrad form av transistorn, switcharna som utgör den binära ryggraden i modern elektronik.
En solid protonisk fälteffekttransistor (SP-FET) är en som växlar baserat på insättning (interkalering) av protoner. Till skillnad från traditionella proton-FET (som växlar genom att doppa vätska, och anses vara lovande kandidater för att överbrygga traditionell elektronik och biologiska system. ), SP-FET är solid, och därmed lämplig för användning i riktiga enheter
SP-FET har visat sig vara mycket kraftfull för att trimma tjocka metalliska material (dvs. det kan inducera hög laddningsdopningsnivå), som är mycket svåra att modulera via traditionella dielektriska baserade eller jonvätskestyrningstekniker (på grund av elektrisk skärmningseffekt i metall).
Genom att tillverka en solid protonisk fälteffekttransistor (SP-FET) med Fe 5 GeTe 2 , teamet kunde dramatiskt ändra bärardensiteten i Fe 5 GeTe 2 och ändra dess magnetiska jordtillstånd. Ytterligare beräkningar av densitetsfunktionella teorierna bekräftade de experimentella resultaten.
"Alla prover visar att det ferromagnetiska tillståndet gradvis kan undertryckas genom att öka protoninterkalationen, och slutligen ser vi flera prover som inte visar några hysteresloopar, som indikerar förändringen av det magnetiska jordtillståndet, de teoretiska beräkningarna överensstämmer med de experimentella resultaten, säger Cheng.
"Framgången med att realisera en AFM-fas i metallisk vdW ferromagnet Fe 5 GeTe 2 nanosheets utgör ett viktigt steg mot vdW antiferromagnetiska enheter och heterostrukturer som fungerar vid höga temperaturer, säger medförfattaren A/Prof Lan Wang (även på RMIT).
"På nytt, detta visar att vår protoniska grindteknik är ett kraftfullt vapen i elektrontransportexperiment, och förmodligen inom andra områden."
Studien
"Gate-kontrollerad magnetisk fasövergång i en van der Waals magnet Fe 5 GeTe 2 " publicerades i Nanobokstäver i juni 2021.
Förutom stöd från Australian Research Council, stöd gavs också av Natural Science Foundation of China, Kinas nationella nyckelforsknings- och utvecklingsprogram, de centrala universitetens grundforskningsfonder, Collaborative Innovation Program vid Hefei Science Center och High Magnetic Field Laboratory (Kina).
Experimentell forskning utfördes vid RMIT Micro Nano Research Facility (MNRF) i Victorian Node av Australian National Fabrication Facility (ANFF) och RMIT Microscopy and Microanalysis Facility (RMMF), samt High Magnetic Field Laboratory (Anhui, Kina).
Spintronic-enheter studeras inom Enabling technology B på FLEET, ett Australian Research Council Centre of Excellence. Center for Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) samlar över hundra australiska och internationella experter, med det gemensamma uppdraget att utveckla en ny generation ultralågenergielektronik. Drivkraften bakom sådant arbete är den ökande utmaningen med energi som används i beräkningar, som använder 5–8 % av den globala elektriciteten och fördubblas varje decennium.
