Effets photovoltaïques de spin dans les hétérostructures magnétiques de van der Waals

Réponse photocourante du dispositif de jonction CrI3. (A) Schéma d'un dispositif de jonction CrI3 à quatre couches dans l'état fondamental de l'AFM (↑↓↑↓), avec contacts en graphène supérieur et inférieur et encapsulation hBN. (B) Courbes I-V d'une jonction CrI3 à quatre couches (D2) dans des conditions sombres (courbe noire) et avec 1 µW d'excitation laser de 1,96 eV (courbe rouge). L'encart est une vue agrandie du photocourant généré à une polarisation nulle Iph et une tension en circuit ouvert Voc. (C) Réflectance différentielle (ΔR/R; points noirs) et photocourant (Iph; carrés bleus) en fonction de l'énergie photonique pour la tricouche (3L) CrI3 à -2 T. Le photocourant est mesuré à partir d'un dispositif de jonction tricouche CrI3 (D1 ) avec une puissance optique de 10 W. (D) Image de microscopie optique du dispositif de jonction 3L CrI3 (D1). Barre d'échelle, 5 µm. (E et F) Cartes spatiales du photocourant et du signal RMCD mesurés à partir du même appareil à 0 T avec une puissance optique de 1 W. Barres d'échelle, 5 µm. Crédit :Avancées scientifiques, 10.1126/sciadv.abg8094

Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Tiancheng Song et une équipe de recherche du département de physique, Université de Washington, NOUS., et matériaux et nanoarchitecture au Japon et en Chine, effets photovoltaïques de spin détaillés dans les hétérostructures de van der Waals (vdW) du triiodure de chrome magnétique bidimensionnel (2D) (CrI 3 ) pris en sandwich par des contacts en graphène. Le concept de cristaux de van der Waals et leurs hétérostructures intéressent la science des matériaux, physique appliquée et optoélectronique, pour explorer les propriétés optoélectroniques dans la limite bidimensionnelle (2D). Il est possible d'intégrer des aimants 2D pour réaliser une optoélectronique de spin 2D avec des degrés de liberté de spin contrôlés. Le photocourant du CrI 3 a montré une dépendance distincte à l'hélicité légère, dont Song et al. accordé en faisant varier les états magnétiques et l'énergie des photons. La recherche a mis en évidence le potentiel d'étudier le phénomène émergent de la photospintronique en créant des hétérostructures magnétiques vdW.

Spin effets photovoltaïques

La spintronique vise à réguler le degré de liberté de spin dans les systèmes électroniques afin de faciliter de nouvelles fonctions. La génération et le contrôle des spins peuvent ouvrir de nouvelles opportunités émergentes dans l'électronique de spin pour explorer de nouveaux effets photovoltaïques de spin et des photocourants de spin. Les effets photovoltaïques de spin peuvent être réalisés en utilisant différents mécanismes dans diverses hétérostructures, parmi lesquels les matériaux bidimensionnels tels que les dichalcogénures de métaux de transition sont un système prometteur pour l'optoélectronique de spin. La découverte des aimants 2D van der Waals a fourni aux scientifiques une nouvelle plate-forme pour étudier les effets photovoltaïques de spin basés sur des matériaux atomiquement minces avec un ordre magnétique intrinsèque. Parmi ceux-ci, le triiodure de chrome est intéressant en raison de son antiferromagnétisme en couches (AFM), où les configurations de spin peuvent être régulées par un champ magnétique environnant. Le champ peut faire basculer l'échantillon entre les états fondamentaux de l'AFM et les états entièrement polarisés en spin via une série de transitions flip. La configuration fournit une plate-forme idéale pour mettre en évidence les effets de spin-optoélectronique à la limite atomiquement mince.

Dépendance à l'hélicité du photocourant dans la tricouche CrI3. (A) Photocourant en fonction de l'angle de la lame quart d'onde pour l'état (2 T, points rouges) et l'état ↓↓↓ (−2 T, points noirs) mesurés à partir du dispositif de jonction tricouche CrI3 (D1) avec une puissance optique de 10 W. Les flèches verticales représentent la lumière polarisée linéairement. (B) La variation du photocourant [ΔIph [σ+ − σ−] =Iph(σ+) − Iph(σ−)] en fonction de μ0H mesuré à partir du même appareil avec une puissance optique de 10 μW. Le degré d'hélicité ΔIph [σ+ − σ−]/(Iph(σ+) + Iph(σ−) donné sur l'axe de droite. Les encarts montrent les états magnétiques correspondants et le schéma du dispositif avec une excitation lumineuse polarisée circulairement. (C) RMCD en fonction de μ0H pour le même appareil. Les encarts montrent les états magnétiques correspondants et l'image en microscopie optique de l'appareil (D1). 15 µm. Crédit :Avancées scientifiques, 10.1126/sciadv.abg8094

Réponse photocourante du CrI 3 dispositif de jonction et sa dépendance à l'ordre magnétique

Les chercheurs ont développé une hétérostructure verticale pour étudier la réponse photocourante de CrI 3 et pour permettre une photodétection efficace. L'hétérostructure contenait un CrI atomiquement mince 3 flocon pris en sandwich par deux feuilles de graphène en tant qu'électrodes de polarisation encapsulées par un fin nitrure de bore hexagonal pour empêcher la dégradation. En utilisant la microscopie photocourante, Song et al. a approfondi la distribution spatiale du photocourant et utilisé le dichroïsme circulaire magnétique réfléchissant pour cartographier la tricouche CrI 3 flocon, où la réponse photocourante a montré une forte dépendance à l'ordre magnétique. L'équipe a attribué les plateaux de photocourant faible et élevé aux états fondamentaux antiferromagnétiques et aux états totalement polarisés en spin. Relativement, les états magnétiques intermédiaires ont entraîné un photocourant plus faible. L'excitation optique a généré des porteurs photoexcités dans les bandes de conduction où l'extraction asymétrique par les électrodes de graphène supérieure et inférieure a entraîné le photocourant mesuré. Le dispositif optoélectronique de spin présenté ici a fourni un nouvel effet photo-magnétocourant par rapport aux dispositifs à magnétorésistance géante et à magnétorésistance tunnel. Le photo-courant magnétique géant et accordable qui en a résulté était utile pour les dispositifs de détection magnétique et de stockage de données à commande optique.

Dépendance du photocourant à l'ordre magnétique du CrI3 à quatre couches. (A) Photocourant en fonction du champ magnétique externe (μ0H) mesuré à partir du dispositif de jonction CrI3 à quatre couches (4L) (D2) avec une puissance optique de 1 W. La courbe verte (orange) correspond à un champ magnétique décroissant (croissant). (B) RMCD en fonction de μ0H pour le même appareil. Les encarts montrent les états magnétiques correspondants et l'image de microscopie optique du dispositif (D2). (C) Courant tunnel (It) en fonction de μ0H mesuré à partir du même appareil à une polarisation de 80 mV dans l'obscurité. Les médaillons sont des schémas de l'appareil avec excitation laser et dans l'obscurité. (D) Courbes Iph-V pour le CrI3 à quatre couches dans l'état fondamental de l'AFM (↑↓↑↓, 0 T, courbe noire) et l'état complètement polarisé en spin (↑↑↑↑, 2,5T, courbe rouge). (E) Magnitude du rapport photo-magnétocourant en fonction du biais extrait des courbes Iph-V en (D). L'ombrage rouge indique la plage de biais où |MCph| tend vers l'infini. L'encart est une vue agrandie des courbes Iph-V en (D). Crédit :Avancées scientifiques, 10.1126/sciadv.abg8094
Cartographie du photocourant dans CrI3 à quatre couches. (A) Image de microscopie optique du dispositif de jonction CrI3 à quatre couches (D2) (barre d'échelle, 3 µm). (B) et (C) Cartes spatiales du photocourant et du signal RMCD mesurés à partir du même appareil à 2,5 T avec une puissance optique de 1 µW (barre d'échelle, 3 µm). Crédit :Avancées scientifiques, 10.1126/sciadv.abg8094

Dépendance du photocourant sur l'hélicité lumineuse et d'autres effets

Song et al. a montré la dépendance du photocourant sur l'hélicité lumineuse en utilisant un tricouche CrI 3 dispositif avec 1,96 eV d'excitation. L'effet photovoltaïque de spin unique qui en résulte provient de la dépendance à l'hélicité des excitons de transfert de charge dans CrI 3 couplé à l'ordre magnétique sous-jacent. L'absorption dépendante de l'hélicité du dispositif a révélé les règles de sélection optique des transitions de transfert de charge entre les bandes de valence et de conduction polarisées en spin pour former l'effet photovoltaïque de spin dépendant de la vitesse résultant. D'autres observations ont également confirmé que l'ordre magnétique sous-jacent était à l'origine de la dépendance à l'hélicité des excitons de transfert de charge.

Interaction entre l'ordre magnétique et l'hélicité des photons dans l'absorption et le photocourant du 3L CrI3. (A) Spectres ΔR/R dépendant de l'hélicité pour les quatre états magnétiques de 3L CrI3 à des champs magnétiques sélectionnés. Les points rouges (bleus) correspondent à l'hélicité des photons + (σ−). Les médaillons montrent les états magnétiques correspondants et l'image en microscopie optique d'une tricouche CrI3 sur saphir. (B) Photocourant en fonction de l'angle de lame quart d'onde pour l'état (2 T, points rouges) et l'état ↓↓↓ (−2 T, points noirs) mesurés avec trois énergies de photons sélectionnées indiquées par les lignes pointillées en (A). (C) R/R différence d'hélicité [(ΔR/R(σ+) − ΔR/R(σ−), courbe] et la variation superposée du photocourant [ΔIph [σ+ − σ−] =Iph(σ+) − Iph(σ−), carrés] en fonction de l'énergie des photons pour l'état ↑↑↑ (2 T, rouge) et état (−2 T, le noir). Crédit :Avancées scientifiques, 10.1126/sciadv.abg8094

Perspectives

De cette façon, Tiancheng Song et al. ont étudié les effets photovoltaïques de spin dans CrI atomiquement mince 3 hétérostructures de van der Waals. Les photocourants ont montré des réponses distinctes aux configurations de spin dans CrI 3 à côté d'un effet photo-magnéto-courant géant. Les mesures combinées du photocourant hélicoïdal et de l'absorption résolue en polarisation circulaire ont révélé l'interaction entre le photocourant de spin et les excitons sous-jacents, ainsi que des contributions de l'ordre magnétique, énergie photonique et hélicité. Le dispositif photovoltaïque 2D développé ici utilisait l'ordre magnétique intrinsèque dans quelques couches CrI 3 comme preuve de concept. Le CrI atomiquement mince résultant 3 formé un archétype d'aimant 2D pour étudier le photocourant généré dans un dispositif à jonction verticale. L'appareil peut être adapté avec des aimants 2D alternatifs pour des applications potentielles dans la détection magnétique et le stockage de données. La dynamique sous-jacente des états d'excitons à transfert de charge couplés à l'ordre magnétique pourrait générer un photocourant pour sonder l'ordre magnétique dans CrI 3 et montrent des réponses distinctes à l'énergie et à l'hélicité des photons. Les résultats mettent en évidence les applications du photocourant comme nouvelle méthode pour sonder l'ordre magnétique, états d'exciton à transfert de charge et couplage magnétoexciton-photon. L'approche peut être utilisée pour étudier d'autres systèmes magnétiques 2D, y compris la dynamique des excitons à couplage d'ordre antiferromagnétique en zig-zag et les processus de transfert de charge aux interfaces du graphène.