Estrutura cristalina e caracterização inicial de F 5 GT. Crédito:FLEET
Uma colaboração internacional liderada pela RMIT publicada esta semana alcançou um recorde de dopagem de elétrons em um ferromagneto em camadas, causando transição de fase magnética com promessa significativa para a eletrônica do futuro
O controle do magnetismo (ou direções de rotação) por voltagem elétrica é vital para o desenvolvimento futuro, dispositivos nanoeletrônicos e spintrônicos de alta velocidade e baixa energia, como dispositivos de torque spin-órbita e transistores de efeito de campo spin.
Carga ultra-alta, a transição de fase magnética induzida por dopagem em um ferromagneto em camadas permite aplicações promissoras em dispositivos spintrônicos antiferromagnéticos.
A colaboração FLEET de pesquisadores da RMIT, UNSW, a Universidade de Wollongong e o laboratório parceiro da FLEET High Magnetic Field Laboratory (China) demonstram pela primeira vez que a concentração de dopagem de elétrons ultra-alta (acima de 10 21 cm -3 ) pode ser induzido no material metálico de van der Waals (vdW) em camadas Fe 5 GeTe 2 por intercalação de prótons, e pode ainda causar uma transição do estado fundamental magnético de ferromagnetismo para antiferromagnetismo.
Tuning magnetism in the VDW ferromagnet Fe 5 GeTe 2 (F 5 GT)
O surgimento de camadas, Os materiais magnéticos vdW aceleraram uma busca crescente por novos dispositivos spintrônicos vdW.
Em comparação com ferromagnetos itinerantes, os antiferromagnetos (AFMs) têm vantagens exclusivas como blocos de construção de tais dispositivos spintrônicos futuros. Sua robustez a campos magnéticos dispersos os torna adequados para dispositivos de memória, e os dispositivos de torque spin-órbita baseados em AFM requerem uma densidade de corrente mais baixa do que em ferromagnetos.
No entanto, atualmente os antiferroímãs itinerantes vdW ainda são escassos.
Além de sintetizar diretamente um antiferroímã vdW, outro método possível para essa função é induzir uma transição de fase magnética em um ferromagneto itinerante vdW existente.
"Escolhemos trabalhar com ferromagneto itinerante vdW recém-sintetizado Fe 5 GeTe 2 (F5GT) "diz o primeiro autor do estudo, FLEET Research Fellow, Dr. Cheng Tan (RMIT).
"Nossa experiência anterior com Fe 3 GeTe 2 ( Comunicação da Natureza 2018) nos permitiu identificar e avaliar rapidamente as propriedades magnéticas do material, e alguns estudos indicam Fe 5 GeTe 2 é sensível a arranjos atômicos locais e configurações de empilhamento intercamada, o que significa que seria possível induzir uma transição de fase nele por dopagem, "Diz Cheng.
A equipe investigou em primeiro lugar as propriedades magnéticas do Fe 5 GeTe 2 nanofolhas de várias espessuras por medições de transporte de elétrons.
Contudo, os resultados de transporte iniciais também mostram que a densidade de elétrons em Fe 5 GeTe 2 é alto como esperado, indicando que o magnetismo é difícil de ser modulado pela tensão de porta tradicional devido ao efeito da tela elétrica no metal:
"Apesar da alta densidade de carga em Fe 5 GeTe 2 , sabíamos que valia a pena tentar ajustar o material por meio de portas protônicas, como já alcançamos em Fe 3 GeTe 2 ( Cartas de revisão física 2020), porque os prótons podem facilmente penetrar na intercamada e induzir dopagem de grande carga, sem danificar a estrutura da rede, "diz o co-autor Dr. Guolin Zheng (também da RMIT).
Um transistor SP-FET, com F 5 Floco de GT em um condutor de prótons sólido (SPC) - escala =10 µm. Crédito:FLEET
Fabricação do transistor de efeito de campo protônico sólido (SP-FET)
Como todos os pesquisadores de computação clássica além do CMOS, a equipe está procurando construir uma forma melhorada de transistor, os interruptores que fornecem a espinha dorsal binária da eletrônica moderna.
Um transistor de efeito de campo protônico sólido (SP-FET) é aquele que muda com base na inserção (intercalação) de prótons. Ao contrário dos FETs de prótons tradicionais (que mudam mergulhando o líquido, e são considerados candidatos promissores para a ponte entre a eletrônica tradicional e os sistemas biológicos. ), o SP-FET é sólido, e, portanto, adequado para uso em dispositivos reais
O SP-FET demonstrou ser muito poderoso na sintonia de materiais metálicos espessos (ou seja, pode induzir grande nível de dopagem de carga), que são muito difíceis de modular por meio de técnicas tradicionais baseadas em dielétrico ou de passagem de íon líquido (por causa do efeito de blindagem elétrica no metal).
Ao fabricar um transistor de efeito de campo protônico sólido (SP-FET) com Fe 5 GeTe 2 , a equipe conseguiu mudar drasticamente a densidade do portador em Fe 5 GeTe 2 e mudar seu estado magnético fundamental. O cálculo posterior da teoria funcional da densidade confirmou os resultados experimentais.
"Todas as amostras mostram que o estado ferromagnético pode ser gradualmente suprimido aumentando a intercalação de prótons, e, finalmente, vemos que várias amostras não exibem loops de histerese, que indica a mudança do estado magnético fundamental, os cálculos teóricos são consistentes com os resultados experimentais, "diz Cheng.
"O sucesso de realizar uma fase AFM em ferromagneto VdW metálico Fe 5 GeTe 2 nanofolhas constituem um passo importante para dispositivos antiferromagnéticos vdW e heteroestruturas que operam em altas temperaturas, "diz o co-autor A / Prof Lan Wang (também da RMIT).
"Novamente, isso demonstra que nossa técnica de portão protônico é uma arma poderosa em experimentos de transporte de elétrons, e provavelmente em outras áreas também. "
O estudo
"Transição de fase magnética controlada por porta em um ímã de van der Waals Fe 5 GeTe 2 "foi publicado em Nano Letras em junho de 2021.
Além do apoio do Australian Research Council, apoio também foi fornecido pela Fundação de Ciências Naturais da China, o Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento da China, os Fundos de Pesquisa Fundamental para as Universidades Centrais, o Programa de Inovação Colaborativa do Hefei Science Center e do High Magnetic Field Laboratory (China).
A pesquisa experimental foi realizada no RMIT Micro Nano Research Facility (MNRF) no Victorian Node do Australian National Fabrication Facility (ANFF) e no RMIT Microscopy and Microanalysis Facility (RMMF), bem como o Laboratório de Alto Campo Magnético (Anhui, China).
Dispositivos spintrônicos são estudados dentro da tecnologia de habilitação B na FLEET, um Centro de Excelência do Australian Research Council. O Centro de Tecnologias Eletrônicas de Baixa Energia do Futuro (FLEET) reúne mais de uma centena de especialistas australianos e internacionais, com a missão compartilhada de desenvolver uma nova geração de eletrônicos de ultra-baixa energia. O ímpeto por trás desse trabalho é o desafio crescente da energia usada na computação, que usa 5–8% da eletricidade global e está dobrando a cada década.
