Resposta de fotocorrente do dispositivo de junção CrI3. (A) Esquema de um dispositivo de junção CrI3 de quatro camadas no estado fundamental de AFM (↑ ↓ ↑ ↓), com contatos de grafeno superior e inferior e encapsulamento hBN. (B) Curvas I-V de uma junção CrI3 de quatro camadas (D2) sob condição escura (curva preta) e com 1 μW de excitação do laser de 1,96 eV (curva vermelha). A inserção é uma visão ampliada da fotocorrente gerada em polarização zero Iph e tensão de circuito aberto Voc. (C) Refletância diferencial (ΔR / R; pontos pretos) e fotocorrente (Iph; quadrados azuis) em função da energia do fóton para a tricamada (3L) CrI3 a −2 T. A fotocorrente é medida a partir de um dispositivo de junção de tricamada CrI3 (D1 ) com uma potência óptica de 10 μW. (D) Imagem de microscopia óptica do dispositivo de junção 3L CrI3 (D1). Barra de escala, 5 μm. (E e F) Mapas espaciais de fotocorrente e sinal RMCD medidos do mesmo dispositivo a 0 T com uma potência óptica de 1 μW. Barras de escala, 5 μm. Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abg8094
Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Tiancheng Song e uma equipe de pesquisa do departamento de física, Universidade de Washington, NÓS., e materiais e nanoarquitetrônica no Japão e na China, efeitos fotovoltaicos de spin detalhados em heteroestruturas de van der Waals (vdW) de triiodeto de cromo magnético bidimensional (2D) (CrI 3 ) imprensado por contatos de grafeno. O conceito de cristais de van der Waals e suas heteroestruturas são de interesse na ciência dos materiais, física aplicada e optoeletrônica, para explorar as propriedades optoeletrônicas dentro do limite bidimensional (2D). É possível integrar ímãs 2D para realizar optoeletrônica de spin 2D com graus de liberdade de spin controlados. A fotocorrente do CrI 3 exibiu uma dependência distinta da helicidade leve, qual Song et al. sintonizado variando os estados magnéticos e a energia do fóton. A pesquisa destacou o potencial de estudar o fenômeno emergente da fotospintrônica por meio da engenharia de heteroestruturas magnéticas de vdW.
Efeitos giratórios fotovoltaicos
Spintrônica visa regular o grau de liberdade de spin em sistemas eletrônicos para facilitar novas funções. A geração e o controle de spins podem abrir novas oportunidades emergentes na eletrônica de spin para explorar novos efeitos fotovoltaicos de spin e fotocorrentes de spin. Os efeitos de spin fotovoltaico podem ser realizados usando diferentes mecanismos em várias heteroestruturas, entre os quais materiais bidimensionais como dichalcogenetos de metais de transição são um sistema promissor para spin-optoeletrônica. A descoberta de ímãs 2D van der Waals proporcionou aos cientistas uma nova plataforma para estudar os efeitos fotovoltaicos de spin com base em materiais atomicamente finos com ordem magnética intrínseca. Destes, triiodeto de cromo é de interesse devido ao seu antiferromagnetismo em camadas (AFM), onde as configurações de spin podem ser reguladas por um campo magnético circundante. O campo pode alternar a amostra entre os estados de solo AFM e os estados totalmente polarizados por spin por meio de uma série de transições flip. A configuração fornece uma plataforma ideal para destacar os efeitos optoeletrônicos de spin no limite atomicamente fino.
Dependência da helicidade da fotocorrente em CrI3 de três camadas. (A) Fotocorrente em função do ângulo da placa de um quarto de onda para o estado ↑↑↑ (2 T, pontos vermelhos) e ↓↓↓ estado (−2 T, pontos pretos) medidos a partir do dispositivo de junção de três camadas CrI3 (D1) com uma potência óptica de 10 μW. Setas verticais representam luz polarizada linearmente. (B) A mudança na fotocorrente [ΔIph [σ + - σ−] =Iph (σ +) - Iph (σ−)] como uma função de μ0H medida a partir do mesmo dispositivo com uma potência óptica de 10 μW. O grau de helicidade ΔIph [σ + - σ -] / (Iph (σ +) + Iph (σ−) dado no eixo direito. As inserções mostram os estados magnéticos correspondentes e o esquema do dispositivo com excitação de luz polarizada circularmente. (C) RMCD em função de μ0H para o mesmo dispositivo. As inserções mostram os estados magnéticos correspondentes e a imagem de microscopia óptica do dispositivo (D1). Barra de escala, 15 μm. Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abg8094 
Os pesquisadores desenvolveram uma heteroestrutura vertical para estudar a resposta fotocorrente do CrI 3 e para permitir fotodetecção eficiente. A heteroestrutura continha um CrI atomicamente fino 3 flocos ensanduichados por duas folhas de grafeno como eletrodos de polarização encapsulados por nitreto de boro hexagonal fino para prevenir a degradação. Usando microscopia fotocorrente, Song et al. investigou ainda mais a distribuição espacial da fotocorrente e usou o dicroísmo circular magnético reflexivo para mapear a tricamada CrI 3 Floco, onde a resposta da fotocorrente mostrou uma forte dependência da ordem magnética. A equipe atribuiu os platôs de baixa e alta fotocorrente aos estados fundamentais do antiferromagnetismo e aos estados totalmente polarizados de spin. Comparativamente, os estados magnéticos intermediários resultaram em uma fotocorrente mais baixa. A excitação óptica gerou portadores fotoexcitados nas bandas de condução onde a extração assimétrica pelos eletrodos de grafeno superior e inferior resultou na fotocorrente medida. O dispositivo optoeletrônico de spin apresentado aqui forneceu um novo efeito de foto-magnetocorrente em comparação com dispositivos de magnetorresistência gigante e magnetorresistência de túnel. A foto-magnetocorrente gigante e ajustável resultante foi útil para sensores magnéticos opticamente acionados e dispositivos de armazenamento de dados.
Dependência da fotocorrente na ordem magnética do CrI3 de quatro camadas. (A) Fotocorrente em função do campo magnético externo (μ0H) medido a partir do dispositivo de junção CrI3 de quatro camadas (4L) (D2) com uma potência óptica de 1 μW. A curva verde (laranja) corresponde à diminuição (aumento) do campo magnético. (B) RMCD em função de μ0H para o mesmo dispositivo. As inserções mostram os estados magnéticos correspondentes e a imagem de microscopia óptica do dispositivo (D2). (C) Corrente de túnel (It) em função de μ0H medida a partir do mesmo dispositivo com polarização de 80 mV sob condição escura. As inserções são esquemas do dispositivo com excitação de laser e no escuro. (D) Curvas Iph-V para o CrI3 de quatro camadas no estado fundamental AFM (↑ ↓ ↑ ↓, 0 T, curva preta) e o estado totalmente polarizado por spin (↑↑↑↑, 2,5 T, curva vermelha). (E) Magnitude da razão fotomagneto-corrente em função da polarização extraída das curvas Iph-V em (D). O sombreado vermelho denota a faixa de polarização em que | MCph | tende ao infinito. A inserção é uma visão ampliada das curvas Iph-V em (D). Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abg8094
Mapeamento de fotocorrente em CrI3 de quatro camadas. (A) Imagem de microscopia óptica do dispositivo de junção CrI3 de quatro camadas (D2) (barra de escala, 3 µm). (B) e (C) Mapas espaciais de fotocorrente e sinal RMCD medidos a partir do mesmo dispositivo a 2,5 T com uma potência óptica de 1 µW (barra de escala, 3 µm). Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abg8094
Dependência da fotocorrente na helicidade da luz e outros efeitos
Song et al. mostraram a dependência da fotocorrente na helicidade da luz usando um CrI de três camadas 3 dispositivo com 1,96 eV de excitação. O efeito fotovoltaico de spin único resultante originou-se da dependência helicoidal de excitons de transferência de carga em CrI 3 acoplado à ordem magnética subjacente. A absorção de dependência helicoidal do dispositivo revelou as regras de seleção óptica das transições de transferência de carga entre a valência polarizada de spin e as bandas de condução para formar o efeito fotovoltaico de spin dependente da velocidade resultante. Outras observações também confirmaram que a ordem magnética subjacente é a origem da dependência da helicidade dos excitons de transferência de carga.
Interação entre ordem magnética e helicidade de fótons na absorção e fotocorrente de 3L CrI3. (A) Espectros ΔR / R dependentes de helicidade para todos os quatro estados magnéticos de 3L CrI3 em campos magnéticos selecionados. Os pontos vermelhos (azuis) correspondem à helicidade do fóton σ + (σ−). As inserções mostram os estados magnéticos correspondentes e a imagem de microscopia óptica de uma camada tripla CrI3 em safira. (B) Fotocorrente em função do ângulo da placa de um quarto de onda para o estado ↑↑↑ (2 T, pontos vermelhos) e ↓↓↓ estado (−2 T, pontos pretos) medidos com três energias de fótons selecionadas indicadas pelas linhas tracejadas em (A). (C) diferença de helicidade ΔR / R [(ΔR / R (σ +) - ΔR / R (σ−), curva] e a mudança sobreposta na fotocorrente [ΔIph [σ + - σ−] =Iph (σ +) - Iph (σ−), quadrados] em função da energia do fóton para o estado ↑↑↑ (2 T, vermelho) e ↓↓↓ estado (−2 T, Preto). Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abg8094
Panorama
Desta maneira, Tiancheng Song et al. estudou os efeitos fotovoltaicos de spin em CrI atomicamente fino 3 Heteroestruturas de van der Waals. As fotocorrentes mostraram respostas distintas às configurações de spin em CrI. 3 ao lado de um efeito de foto-magnetocorrente gigante. As medições combinadas de fotocorrente dependente de helicidade e de absorção resolvida por polarização circular revelaram a interação entre a fotocorrente de spin e os excitons subjacentes, bem como contribuições da ordem magnética, energia de fótons e helicidade. O dispositivo fotovoltaico 2D desenvolvido aqui utilizou a ordem magnética intrínseca em poucas camadas CrI. 3 como uma prova de conceito. O CrI atomicamente fino resultante 3 formou um ímã 2D arquetípico para estudar a fotocorrente gerada em um dispositivo de junção vertical. O dispositivo pode ser adaptado com ímãs 2D alternativos para aplicações potenciais em detecção magnética e armazenamento de dados. A dinâmica subjacente de estados de exciton de transferência de carga acoplados a ordem magnética poderia gerar uma fotocorrente para sondar a ordem magnética em CrI 3 e mostram respostas distintas à energia e helicidade do fóton. Os resultados destacam aplicações da fotocorrente como um novo método para sondar a ordem magnética, estados de excitação de transferência de carga e acoplamento magnetoexciton-fóton. A abordagem pode ser usada para estudar outros sistemas magnéticos 2D, incluindo a dinâmica de excitons acoplados a ordem antiferromagnética em zigue-zague e processos de transferência de carga em interfaces de grafeno.
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