Une hétérostructure construite avec une couche inférieure antiferromagnétique (FePS 3 ) et couche supérieure ferromagnétique (Fe5 GeTe2 ). Crédit :Nano Letters
Une collaboration internationale dirigée par le RMIT a observé, pour la première fois, un effet de polarisation d'échange contrôlé par une porte électrique dans des hétérostructures de van der Waals (vdW), offrant une plate-forme prometteuse pour une future électronique écoénergétique au-delà du CMOS.
L'effet de polarisation d'échange (EB), qui provient du couplage magnétique intercouche, a joué un rôle important dans le magnétisme fondamental et la spintronique depuis sa découverte.
Bien que la manipulation de l'effet EB par une porte électronique ait été un objectif important en spintronique, jusqu'à présent, seuls des effets EB électriquement accordables très limités ont été démontrés.
Les effets EB manipulés par grille électrique dans les structures AFM-FM permettent une logique spin-orbite évolutive et économe en énergie, ce qui est très prometteur pour les dispositifs au-delà du COMS dans les futures technologies électroniques à faible énergie.
La température de "blocage" de l'effet EB peut être efficacement réglée via une porte électrique, ce qui permettrait au champ EB d'être également activé et désactivé dans les futurs transistors spintroniques.
La collaboration dirigée par FLEET entre des chercheurs de l'Université RMIT (Australie) et de l'Université de technologie de Chine du Sud (Chine) confirme pour la première fois le contrôle électrique de l'effet EB dans une hétérostructure vdW.
Réalisation des effets de biais d'échange dans les hétérostructures AFM-FM
L'émergence de matériaux magnétiques vdW stimule le développement de dispositifs magnétiques et spintroniques vdW et fournit une plate-forme idéale pour explorer les mécanismes de couplage magnétique intrinsèquement interfaciaux.
Le dispositif :un transistor à effet de champ à protons solides (SP-FET) monte l'hétérostructure AFM-FM dans un contact électrique (or), monté sur un conducteur protonique solide (SPC) et une électrode de grille (Pt). Crédit :Nano Letters
La manipulation de l'effet EB, qui provient de l'anisotropie unidirectionnelle induite par le couplage de l'interface AFM-FM, par une porte électronique est un objectif important en spintronique. À ce jour, des effets EB électriquement accordables très limités ont été démontrés expérimentalement dans certains systèmes à couches minces d'oxydes multiferroïques. Bien que les hétérostructures magnétiques vdW aient fourni des plates-formes améliorées pour étudier les effets EB, ces hétérostructures n'ont pas encore montré d'effets EB contrôlés par une grille électrique.
"Nous avions acquis beaucoup d'expérience dans les nano-dispositifs à base d'hétérostructure vdW et nous avons décidé qu'il était temps pour nous d'utiliser certaines méthodes, telles que les portes électriques, pour contrôler les propriétés magnétiques dans les bicouches FM/AFM", déclare le premier auteur de l'étude, FLEET. Chercheur Dr Sultan Albarakati (RMIT).
"De plus, nous connaissons bien l'intercalation de protons, qui est un outil efficace pour moduler la densité de charge des matériaux."
L'équipe a conçu une structure de nano-dispositif avec une tricouche de conducteur de protons FM/AFM/solide, et a choisi un matériau vdW avec une température de Neel plus élevée, FePS3 , pour servir de couche AFM.
"Le choix de la couche FM était un peu délicat", explique le co-auteur, le Dr Cheng Tan (RMIT).
"Sur la base de nos résultats précédents, l'effet EB pourrait se produire dans Fe3 proton intercalé GeTe2 , tandis que dans Fe5 GeTe2 (F5GT) de différentes épaisseurs, l'intercalation de protons ne peut entraîner aucun effet EB. Par conséquent, nous avons choisi F5GT comme couche FM », explique Cheng.
Ainsi, l'hétérostructure résultante comprenait :
Imagerie de l'appareil via un microscope optique (à gauche) et un microscope à force atomique (à droite). Crédit :Nano Letters
Généralement, l'effet EB est considéré comme un effet d'interface et devrait diminuer si l'épaisseur de la couche FM est augmentée. Alors que les nano-flocons F5GT plus fins (<10 nm) peuvent générer une coercivité extrêmement élevée (Hc ~2 T) en raison de l'épinglage du défaut intracouche, cela rend plus difficile la génération d'un effet EB dans une bicouche FM/AFM car la barrière d'énergie induite par l'épinglage du défaut est potentiellement plus grande que celle de l'anisotropie unidirectionnelle.
"Nos observations expérimentales sont cohérentes avec cela", explique le co-auteur, le Dr Guolin Zheng (RMIT). "Il n'y a pas d'effets EB lorsque l'épaisseur de F5GT est inférieure à 10 nm. Heureusement, après de nombreux tests, nous constatons que l'effet EB peut survivre dans les hétérointerfaces FPS-F5GT lorsque l'épaisseur de la couche F5GT est dans la plage de 12 nm à 20 nm."
"Ensuite, nous pourrions explorer davantage les effets des intercalations de protons dans le FPS-F5GT." dit Guolin.
Contrôle électrique de l'effet de biais d'échange via l'intercalation de protons
L'équipe a ensuite réussi l'intercalation de protons dans FPS-F5GT et observé le déplacement des champs EB sous différentes tensions de grille.
"La température de blocage de l'effet EB peut être réglée efficacement via une grille électrique. Et plus intéressant, le champ EB peut être activé et désactivé de manière répétée sous différentes tensions de grille", explique Guolin.
D'autres calculs théoriques effectués par un collaborateur de l'Université de technologie de Chine du Sud confirment en outre que les intercalations de protons non seulement règlent le couplage d'échange magnétique moyen, mais modifient également les configurations antiferromagnétiques dans le FePS3 calque.
"Les effets EB dépendants de la porte peuvent être bien expliqués sur la base de nos calculs", déclare l'auteur contributeur A / Prof Lan Wang (également au RMIT). "Sous différentes intercalations de protons, l'énergie d'anisotropie unidirectionnelle induite par le couplage AFM-FM affectée et la transformation de FPS3 entre un AFM non compensé et un AFM compensé conduisent à divers phénomènes intéressants."
"Encore une fois, cette étude est une étape importante vers la logique magnétique basée sur l'hétérostructure vdW pour la future électronique à basse énergie."
L'étude a été publiée dans Nano Letters . Transformer un ferromagnétique stratifié pour la spintronique du futur
