Ett RMIT-ledd internationellt samarbete har för första gången observerat elektriska grindstyrda utbytesförspänningseffekter i van der Waals (vdW) heterostrukturer, vilket erbjuder en lovande plattform för framtida energieffektiv, bortom CMOS-elektronik.

Exchange-bias-effekten (EB) som härrör från magnetisk koppling mellan skikten har spelat en betydande roll i fundamental magnetik och spintronik sedan upptäckten.

Även om manipulering av EB-effekten med en elektronisk grind har varit ett betydande mål inom spintronik, har hittills endast mycket begränsade elektriskt inställbara EB-effekter visats.

Elektriska grindmanipulerade EB-effekter i AFM-FM-strukturer möjliggör skalbar energieffektiv spin-omloppslogik, vilket är mycket lovande för enheter utanför COMS i framtida elektroniska lågenergiteknologier.

Den "blockerande" temperaturen för EB-effekten kan effektivt ställas in via en elektrisk grind, vilket skulle göra det möjligt för EB-fältet att slås "PÅ" och "AV" även i framtida spintroniska transistorer.

Det FLEET-ledda samarbetet mellan forskare vid RMIT University (Australien) och South China University of Technology (Kina) bekräftar för första gången den elektriska styrningen av EB-effekten i en vdW-heterostruktur.

Realisering av utbytesbiaseffekter i AFM-FM-heterostrukturer

Framväxten av vdW magnetiska material ökar utvecklingen av vdW magnetiska och spintroniska enheter och ger en idealisk plattform för att utforska magnetiska kopplingsmekanismer för gränssnitt.

Att manipulera EB-effekten, som härrör från AFM-FM-gränssnittskopplingsinducerad enkelriktad anisotropi, med en elektronisk grind är ett viktigt mål inom spintronik. Hittills har mycket begränsade elektriskt avstämbara EB-effekter demonstrerats experimentellt i vissa multiferroiska tunnfilmssystem med oxid. Även om vdW magnetiska heterostrukturer har tillhandahållit förbättrade plattformar för att undersöka EB-effekter, har dessa heterostrukturer ännu inte uppvisat elektriska grindkontrollerade EB-effekter.

"Vi hade fått mycket erfarenhet av vdW-heterostrukturbaserade nanoenheter och vi bestämde oss för att det var dags för oss att använda några metoder, såsom elektriska grindar, för att kontrollera magnetiska egenskaper i FM/AFM-dubbelskikt", säger studiens första författare, FLEET Forskarassistent Dr Sultan Albarakati (RMIT).

"Dessutom är vi bekanta med protoninterkalering, som är ett effektivt verktyg för att modulera materials laddningstäthet."

Teamet designade en nanoenhetsstruktur med ett trelager av FM/AFM/solid protonledare och valde ett vdW-material med högre Neel-temperatur, FePS₃ , för att fungera som AFM-lagret.

"Valet av FM-lager var lite knepigt", säger medförfattaren Dr. Cheng Tan (RMIT).

"Baserat på våra tidigare resultat kan EB-effekten uppstå i protoninterkalerad Fe₃ GeTe₂ , medan i Fe₅ GeTe₂ (F5GT) av olika tjocklekar, kan inte protoninterkalationen resultera i några EB-effekter. Därför väljer vi F5GT som FM-lager, säger Cheng.

Den resulterande heterostrukturen omfattade således:

• Antiferromagnetiskt (AFM) lager FePS₃ (FPS)
• Ferromagnetiskt (FM) lager Fe₅ GeTe₂ (F5GT)

Generellt betraktas EB-effekten som en gränssnittseffekt och skulle förväntas minska om FM-skiktets tjocklek ökas. Medan de tunnare F5GT nano-flingorna (<10 nm) kan generera extremt stor koercitivitet (H_c ~2 T) på grund av stiftningen av defekter inom skiktet gör detta det svårare att generera EB-effekt i ett FM/AFM-dubbelskikt eftersom energibarriären som induceras av defektstiftning potentiellt är större än den från enkelriktad anisotropi.

"Våra experimentella observationer överensstämmer med detta", förklarar medförfattaren Dr. Guolin Zheng (RMIT). "Det finns ingen förekomst av EB-effekter när tjockleken på F5GT är mindre än 10 nm. Lyckligtvis, efter många tester, finner vi att EB-effekten kan överleva i FPS-F5GT-heterogränssnitt när tjockleken på F5GT-skiktet är inom intervallet 12 nm till 20 nm."

"Då kan vi ytterligare utforska effekterna av protoninterkalationer i FPS-F5GT." säger Guolin.

Elektrisk styrning av utbytesbiaseffekten via protoninterkalering

Teamet utförde sedan framgångsrikt protoninterkaleringen i FPS-F5GT och observerade förskjutningen av EB-fält under olika gate-spänningar.

"Blockeringstemperaturen för EB-effekten kan ställas in effektivt via elektrisk grind. Och mer intressant är att EB-fältet kan slås "PÅ" och "AV" upprepade gånger under olika grindspänningar", säger Guolin.

Ytterligare teoretiska beräkningar utförda av medarbetare från South China University of Technology bekräftar ytterligare att protoninterkalationerna inte bara ställer in den genomsnittliga magnetiska utbyteskopplingen utan också ändrar de antiferromagnetiska konfigurationerna i FePS₃ lager.

"De grindberoende EB-effekterna kan förklaras väl baserat på våra beräkningar", säger den bidragande författaren A/Prof Lan Wang (även vid RMIT). "Under olika protoninterkalationer, den påverkade AFM-FM-kopplingsinducerade enkelriktade anisotropienergin och transformationen av FPS₃ mellan en okompenserad AFM och en kompenserad AFM leder till de olika intressanta fenomenen."

"Återigen är den här studien ett viktigt steg mot vdW-heterostrukturbaserad magnetisk logik för framtida lågenergielektronik."

Studien publicerades i Nano Letters . + Utforska vidare

Omvandling av en skiktad ferromagnet för framtida spintronik