Une collaboration internationale dirigée par RMIT publiée cette semaine a atteint un dopage électronique record dans un ferromagnétique en couches, provoquant une transition de phase magnétique avec une promesse importante pour l'électronique future

Le contrôle du magnétisme (ou des directions de spin) par la tension électrique est vital pour le développement futur, dispositifs nano-électroniques et spintroniques à haute vitesse à faible énergie, tels que les dispositifs de couple spin-orbite et les transistors à effet de champ de spin.

Charge ultra élevée, La transition de phase magnétique induite par dopage dans un ferromagnétique en couches permet des applications prometteuses dans les dispositifs spintroniques antiferromagnétiques.

La collaboration FLEET des chercheurs du RMIT, UNSW, l'Université de Wollongong et FLEET partenaire High Magnetic Field Laboratory (Chine) démontre pour la première fois qu'une concentration de dopage électronique ultra-élevé (supérieure à 10 ²¹ cm ^-3 ) peut être induit dans le matériau métallique stratifié de van der Waals (vdW) Fe 5 GeTe 2 par intercalation de protons, et peut en outre provoquer une transition de l'état fondamental magnétique du ferromagnétisme à l'antiferromagnétisme.

Réglage du magnétisme dans le ferromagnétique VDW Fe 5 GeTe 2 (F 5 GT)

L'émergence de couches, Les matériaux magnétiques vdW ont accéléré la recherche croissante de nouveaux dispositifs spintroniques vdW.

Par rapport aux ferromagnétiques itinérants, les antiferromagnétiques (AFM) présentent des avantages uniques en tant que blocs de construction de ces futurs dispositifs spintroniques. Leur robustesse aux champs magnétiques parasites les rend adaptés aux dispositifs de mémoire, et les dispositifs de couple spin-orbite basés sur l'AFM nécessitent une densité de courant inférieure à celle des ferroaimants.

Cependant, actuellement, les antiferromagnétiques itinérants vdW sont encore rares.

En plus de synthétiser directement un antiferromagnétique vdW, une autre méthode possible vers cette fonction est d'induire une transition de phase magnétique dans un ferromagnétique itinérant vdW existant.

"Nous avons choisi de travailler avec le ferromagnétique itinérant vdW récemment synthétisé Fe 5 GeTe 2 (F5GT)", déclare le premier auteur de l'étude, Chercheur FLEET Dr. Cheng Tan (RMIT).

"Notre expérience précédente sur Fe 3 GeTe 2 ( Communication Nature 2018) nous a permis d'identifier et d'évaluer rapidement les propriétés magnétiques du matériau, et certaines études indiquent Fe 5 GeTe 2 est sensible aux arrangements atomiques locaux et aux configurations d'empilement intercouches, c'est-à-dire qu'il serait possible d'y induire une transition de phase par dopage, " dit Cheng.

L'équipe a d'abord étudié les propriétés magnétiques de Fe 5 GeTe 2 nanofeuillets de différentes épaisseurs par des mesures de transport d'électrons.

Cependant, les premiers résultats de transport montrent également que la densité électronique dans Fe 5 GeTe 2 est élevé comme prévu, indiquant que le magnétisme est difficile à moduler par la tension de grille traditionnelle en raison de l'effet d'écran électrique dans le métal :

"Malgré la densité de charge élevée dans Fe 5 GeTe 2 , nous savions qu'il valait la peine d'essayer de régler le matériel via une porte protonique, comme nous l'avons déjà fait dans Fe 3 GeTe 2 ( Lettres d'examen physique 2020), parce que les protons peuvent facilement pénétrer dans l'intercalaire et induire un dopage de charge important, sans endommager la structure en treillis, " dit le co-auteur Dr Guolin Zheng (également au RMIT).

Fabrication du transistor à effet de champ protonique solide (SP-FET)

Comme tous les chercheurs en informatique classique au-delà du CMOS, l'équipe cherche à construire une forme améliorée du transistor, les commutateurs qui constituent l'épine dorsale binaire de l'électronique moderne.

Un transistor à effet de champ protonique solide (SP-FET) est un transistor qui commute en fonction de l'insertion (intercalation) de protons. Contrairement aux FET à protons traditionnels (qui commutent par immersion de liquide, et sont considérés comme des candidats prometteurs pour faire le pont entre l'électronique traditionnelle et les systèmes biologiques. ), le SP-FET est solide, et donc adapté à une utilisation dans de vrais appareils

Il a été démontré que le SP-FET est très puissant pour le réglage de matériaux métalliques épais (c'est-à-dire, il peut induire un niveau de dopage de charge élevé), qui sont très difficiles à moduler via les techniques traditionnelles de déclenchement diélectrique ou ionique liquide (en raison de l'effet de blindage électrique dans le métal).

En fabriquant un transistor à effet de champ protonique solide (SP-FET) avec Fe 5 GeTe 2 , l'équipe a pu changer radicalement la densité de porteurs dans Fe 5 GeTe 2 et changer son état magnétique fondamental. D'autres calculs de la théorie fonctionnelle de la densité ont confirmé les résultats expérimentaux.

"Tous les échantillons montrent que l'état ferromagnétique peut être progressivement supprimé en augmentant l'intercalation des protons, et enfin nous voyons plusieurs échantillons n'afficher aucune boucle d'hystérésis, qui indique le changement de l'état du sol magnétique, les calculs théoriques sont cohérents avec les résultats expérimentaux, " dit Cheng.

"Le succès de la réalisation d'une phase AFM en ferromagnétique vdW métallique Fe 5 GeTe 2 les nanofeuillets constituent une étape importante vers les dispositifs antiferromagnétiques vdW et les hétérostructures qui fonctionnent à haute température, " déclare le co-auteur A/Prof Lan Wang (également au RMIT).

"De nouveau, cela démontre que notre technique de porte protonique est une arme puissante dans les expériences de transport d'électrons, et probablement dans d'autres domaines bien."

L'étude

"Transition de phase magnétique contrôlée par grille dans un aimant de van der Waals Fe 5 GeTe 2 " a été publié dans Lettres nano en juin 2021.

Outre le soutien de l'Australian Research Council, un soutien a également été fourni par la Natural Science Foundation of China, le Programme national de recherche et de développement clés de la Chine, les Fonds de Recherche Fondamentale des Universités Centrales, le programme d'innovation collaborative du Hefei Science Center et du High Magnetic Field Laboratory (Chine).

La recherche expérimentale a été réalisée au RMIT Micro Nano Research Facility (MNRF) dans le nœud victorien de l'Australian National Fabrication Facility (ANFF) et au RMIT Microscopy and Microanalysis Facility (RMMF), ainsi que le High Magnetic Field Laboratory (Anhui, Chine).

Les dispositifs spintroniques sont étudiés au sein de la technologie habilitante B à FLEET, un centre d'excellence du Conseil australien de la recherche. Le Center for Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) rassemble plus d'une centaine d'experts australiens et internationaux, avec la mission commune de développer une nouvelle génération d'électronique ultra basse consommation. L'impulsion derrière un tel travail est le défi croissant de l'énergie utilisée dans le calcul, qui utilise 5 à 8 % de l'électricité mondiale et double tous les dix ans.