Uma colaboração internacional liderada pela RMIT observou, pela primeira vez, o efeito de polarização de troca controlada por portão elétrico em heteroestruturas de van der Waals (vdW), oferecendo uma plataforma promissora para a eletrônica futura com eficiência energética além do CMOS.
O efeito de polarização de troca (EB), que se origina do acoplamento magnético entre camadas, tem desempenhado um papel significativo no magnetismo fundamental e na spintrônica desde sua descoberta.

Embora a manipulação do efeito EB por um portão eletrônico tenha sido um objetivo significativo na spintrônica, até agora, apenas efeitos EB ajustáveis ​​eletricamente muito limitados foram demonstrados.

Os efeitos EB manipulados por portas elétricas em estruturas AFM-FM permitem uma lógica spin-orbit escalável com eficiência energética, o que é muito promissor para dispositivos além do COMS em futuras tecnologias eletrônicas de baixa energia.

A temperatura de "bloqueio" do efeito EB pode ser efetivamente sintonizada por meio de um portão elétrico, o que permitiria que o campo EB fosse "LIGADO" e "DESLIGADO", bem como em futuros transistores spintrônicos.

A colaboração liderada pela FLEET de pesquisadores da RMIT University (Austrália) e da South China University of Technology (China) confirma pela primeira vez o controle elétrico do efeito EB em uma heteroestrutura vdW.

Realização de efeitos de viés de troca em heteroestruturas AFM-FM

O surgimento de materiais magnéticos vdW impulsiona o desenvolvimento de dispositivos magnéticos e spintrônicos vdW e fornece uma plataforma ideal para explorar mecanismos de acoplamento magnético intrinsecamente interfacial.

Manipular o efeito EB, que se origina da anisotropia unidirecional induzida pelo acoplamento da interface AFM-FM, por um portão eletrônico é um objetivo significativo na spintrônica. Até o momento, efeitos de EB eletricamente ajustáveis ​​muito limitados foram demonstrados experimentalmente em alguns sistemas de filmes finos multiferróicos de óxido. Embora as heteroestruturas magnéticas vdW tenham fornecido plataformas aprimoradas para investigar os efeitos de EB, essas heteroestruturas ainda não exibiram efeitos de EB controlados por portas elétricas.

“Tivemos muita experiência em nanodispositivos baseados em heteroestrutura vdW e decidimos que era hora de utilizar alguns métodos, como portões elétricos, para controlar propriedades magnéticas em bicamadas FM/AFM”, diz o primeiro autor do estudo, FLEET Pesquisador bolsista Dr. Sultan Albarakati (RMIT).

"Além disso, estamos familiarizados com a intercalação de prótons, que é uma ferramenta eficaz para modular a densidade de carga dos materiais".

A equipe projetou uma estrutura de nanodispositivo com uma tri-camada de FM/AFM/condutor sólido de prótons e escolheu um material vdW com maior temperatura de Neel, FePS₃ , para servir como a camada AFM.

"A escolha da camada FM foi um pouco complicada", diz o co-autor Dr. Cheng Tan (RMIT).

"Com base em nossos resultados anteriores, o efeito EB pode ocorrer em Fe₃ intercalado com prótons GeTe₂ , enquanto em Fe₅ GeTe₂ (F5GT) de várias espessuras, a intercalação de prótons não pode resultar em nenhum efeito de EB. Por isso, escolhemos o F5GT como a camada FM", diz Cheng.

Assim, a heteroestrutura resultante compreendeu:

• Camada antiferromagnética (AFM) FePS₃ (FPS)
• Camada ferromagnética (FM) Fe₅ GeTe₂ (F5GT)

Geralmente, o efeito EB é considerado como um efeito de interface e espera-se que diminua se a espessura da camada FM for aumentada. Enquanto os nano-flocos F5GT mais finos (<10 nm) podem gerar uma coercividade extremamente grande (H_c ~2 T) devido à fixação do defeito intracamada, isso torna mais difícil gerar o efeito EB em uma bicamada FM/AFM porque a barreira de energia induzida pela fixação do defeito é potencialmente maior do que a da anisotropia unidirecional.

"Nossas observações experimentais são consistentes com isso", explica o co-autor Dr. Guolin Zheng (RMIT). "Não há ocorrência de efeitos EB quando a espessura de F5GT é inferior a 10 nm. Felizmente, após muitos testes, descobrimos que o efeito EB pode sobreviver em heterointerfaces FPS-F5GT quando a espessura da camada F5GT está na faixa de 12 nm a 20 nm."

"Então poderíamos explorar ainda mais os efeitos das intercalações de prótons no FPS-F5GT." diz Guoli.

Controlando eletricamente o efeito de polarização de troca via intercalação de prótons

A equipe então realizou com sucesso a intercalação de prótons no FPS-F5GT e observou o deslocamento dos campos EB sob diferentes tensões de porta.

"A temperatura de bloqueio do efeito EB pode ser ajustada de forma eficaz via portão elétrico. E mais interessante, o campo EB pode ser ligado e desligado repetidamente sob várias tensões de portão", diz Guolin.

Outros cálculos teóricos realizados pelo colaborador da Universidade de Tecnologia do Sul da China confirmam ainda que as intercalações de prótons não apenas ajustam o acoplamento de troca magnética média, mas também alteram as configurações antiferromagnéticas no FePS₃ camada.

"Os efeitos EB dependentes do portão podem ser bem explicados com base em nossos cálculos", diz o autor colaborador A/Prof Lan Wang (também do RMIT). "Sob diferentes intercalações de prótons, a energia de anisotropia unidirecional induzida pelo acoplamento AFM-FM afetada e a transformação de FPS₃ entre um AFM não compensado e um AFM compensado levam a vários fenômenos interessantes."

"Mais uma vez, este estudo é um passo significativo para a lógica magnética baseada em heteroestrutura vdW para futuros eletrônicos de baixa energia".

O estudo foi publicado em Nano Letters . + Explorar mais

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