Последние достижения в двумерной спинтронике

Введение

С открытием и применением эффекта гигантского магнитосопротивления (GMR) спинтроника быстро превратилась в привлекательную область, нацеленную на использование степени свободы спина электронов в качестве носителя информации для хранения данных и логических операций [1,2,3 ]. По сравнению с обычными микроэлектронными устройствами, основанными на заряде, спинтронным устройствам требуется меньше энергии для переключения состояния вращения, что может привести к более высокой скорости работы и более низкому энергопотреблению. Таким образом, спинтроника является наиболее многообещающей технологией для разработки альтернативных многофункциональных высокоскоростных электронных устройств с низким энергопотреблением. Несмотря на то, что магниторезистивная память с произвольным доступом (STT-MRAM) с передачей вращения и крутящим моментом выпускается в промышленных масштабах, необходимо решить различные технические проблемы. Основные проблемы включают эффективную генерацию и инжекцию спин-поляризованных носителей, передачу спина на большие расстояния, а также манипулирование и обнаружение направления спина [4,5,6].

Параллельно с бумом спинтроники, двумерные (2D) материалы Ван-дер-Ваальса (vdW) находились на переднем крае исследований материалов с момента выделения графена [7,8,9]. В отличие от объемных материалов, материалы 2D vdW демонстрируют множество новых физических явлений. Некоторые 2D-материалы уже показали большой потенциал для создания устройств 2D спинтроники следующего поколения [10,11,12]. Например, графен демонстрирует высокую подвижность электронов / дырок, большое время жизни спина и большую длину диффузии, что делает его многообещающим кандидатом на роль спинового канала [13,14,15]. Однако из-за характеристик нулевой щели и слабой спин-орбитальной связи (SOC) графен имеет ограничения при создании токовых переключателей на основе графена. Напротив, двумерные дихалькогениды переходных металлов (TMDC) имеют различную ширину запрещенной зоны, сильный эффект SOC и, особенно, уникальное взаимодействие спиновой долины, обеспечивая платформу для управления степенями свободы спина и долины для энергонезависимого хранения информации [16, 17]. Топологические изоляторы (ТИ) с топологически защищенными поверхностными состояниями обладают сильными спин-орбитальными взаимодействиями для достижения синхронизации спинового момента, которая может подавлять рассеяние и увеличивать эффективность преобразования спина и заряда [4, 12, 18]. Новые двумерные магниты с собственными магнитными основными состояниями вплоть до толщины атомных слоев открывают новые возможности для новых приложений двумерной спинтроники [19,20,21].

С развитием двумерной спинтроники возникла необходимость в обзоре последних экспериментальных и теоретических работ в этой области. В этой статье был рассмотрен прогресс 2D-спинтроники, а также обсуждались некоторые текущие проблемы и будущие возможности в этой развивающейся области. В первом разделе рассматривается магнетизм в 2D-материалах, включая наведенные магнитные моменты в графене, ТИ и некоторых других 2D-материалах с помощью методов легирования или эффекта близости, а также некоторых внутренних 2D-магнитов. Во втором разделе представлены три элементарных функциональных возможности для выполнения операций устройства двумерной спинтроники, включая преобразование спинового заряда, перенос спина и манипулирование спином в двумерных материалах и на их интерфейсах. В третьем разделе рассматриваются приложения 2D спинтроники. В четвертом разделе представлены несколько потенциальных устройств 2D спинтроники для хранения в памяти и логических приложений. В последнем разделе обсуждаются некоторые текущие проблемы и будущие возможности 2D-спинтроники для практического применения.

Магнетизм в 2D-материалах

Магнетизм имеет важное значение в технологиях хранения данных. Однако большинство 2D-материалов, таких как графен, не являются магнитными по своей природе. Было предложено два метода сделать немагнитные материалы магнитными. Первый метод заключается в создании спиновой поляризации путем введения вакансий или добавления адатомов [22,23,24]. Другой - ввести магнетизм через эффект магнитной близости с соседними магнитными материалами [18, 25, 26]. Недавно обнаруженные двумерные магнитные кристаллы ВДВ обладают собственными магнитными основными состояниями на атомном уровне, что открывает беспрецедентные возможности в области спинтроники [20, 27].

Индуцированные магнитные моменты в графене

Первозданный графен сильно диамагнитен, поэтому большое количество теоретических и экспериментальных исследований исследует магнетизм графена. Введение вакансий и добавление водорода или фтора использовалось для создания магнитных моментов в графене [23, 25, 28]. Например, группа Каваками использовала адатомы водорода для легирования графена (рис. 1а) и зарегистрировала чистый спиновый ток с помощью измерения нелокального спинового переноса, чтобы продемонстрировать образование магнитного момента в графене [23]. Как показано на рис. 1b, характерный провал, появляющийся при нулевом магнитном поле при измерении нелокального спинового переноса, показывает, что чистый спиновый ток рассеивается за счет обменной связи между электронами проводимости и локальными индуцированными водородом магнитными моментами. Кроме того, графен с адатомами фтора и вакансионными дефектами имеет парамагнитные моменты, которые можно измерить с помощью СКВИДа (сверхпроводящего квантового интерференционного устройства) [28]. Тем не менее, реализация дальнего ферромагнитного порядка в легированном графене по-прежнему остается непростой задачей. Некоторые исследователи предложили использовать эффект магнитной близости для усиления магнетизма графена [29]. Когда графен находится рядом с магнитным изолятором, π-орбитали графена и соседние спин-поляризованные d-орбитали в магнитном изоляторе имеют обменное взаимодействие, создавая ферромагнитную связь на больших расстояниях. Как показано на рис. 1c, в гетероструктуре графен / железо-иттрий-гранат (ЖИГ) измеренный сигнал аномального эффекта Холла может сохраняться до 250 К (рис. 1d) [25].

Воспроизведено с разрешения McCreary et al., Phys. Rev. Lett. 109, 186 604 (2012). Авторское право Американского химического общества, 2012 г. [23]. (c) и (d) воспроизведены с разрешения Wang et al., Phys. Rev. Lett. 114, 016 603 (2015). Авторские права, 2015 г., Американское химическое общество [25]

Наведенный магнитный момент в графене. а Теоретическое предсказание магнитных моментов в графене за счет водорода. б Магнитные моменты из-за легирования водородом, обнаруженные измерениями спинового переноса при 15 К. Измерения на устройстве проводились после 8 с легирования водородом. c Схема обмена графена, связанного с атомарно плоской ферромагнитной пленкой железо-иттриевого граната (ЖИГ). г Измерение аномального холловского сопротивления магнитного графена при различных температурах. а , b

Индуцированные магнитные моменты в TI

2D-материалы чувствительны к условиям окружающей среды, например к влаге и кислороду. Состояние проводящей поверхности в поверхностных областях ТИ считается более стабильным 2D-материалом [30]. Кроме того, поверхностное состояние ТИ демонстрирует свойство фиксации спинового момента, которое обеспечивает способ манипулировать спиновым сигналом через направление зарядового тока. Что еще более интересно, нарушение симметрии относительно обращения времени из-за легирования магнитных атомов или эффекта магнитной близости может вызвать некоторые экзотические явления, такие как квантовый аномальный эффект Холла (QAHE) [18, 31]. Chang et al. [24] впервые наблюдали QAHE в магнитном ТИ, легированном Cr, Cr _0,15 (Bi _0,1 Сб _0.9 ) _1.85 Te ₃ . Как показано на рис. 2а, настраивая уровень Ферми магнитно-индуцированных полос ТИ, мы можем наблюдать плато холловской проводимости e ² / h . Результаты измерений показывают, что регулируемое затвором аномальное сопротивление Холла достигает квантованного значения h . / e ² в нулевом магнитном поле (рис. 2б). Однако эффект спинового рассеяния легированных магнитных атомов ограничен для достижения устойчивого дальнего магнитного порядка на поверхности ТИ. Магнитная близость между ТИ и магнитными материалами позволяет избежать введения легирующих атомов или дефектов, получая дальний магнитный порядок за счет межфазной обменной связи. Коэффициент отражения спин-поляризованных нейтронов (PNR) был использован для изучения межфазного магнетизма на гетероструктуре Bi ₂ Se ₃ / EuS (рис. 2в) [32]. Результат PNR показывает, что Bi ₂ Se ₃ / EuS-бислой имеет ферромагнитный порядок на границе раздела, и этот топологически усиленный межфазный ферромагнетизм может сохраняться до комнатной температуры (рис. 2d). Согласно прогнозам, реализация ферромагнитного поверхностного состояния в ТИ позволит проявиться нескольким выдающимся явлениям, таким как межфазный магнитоэлектрический эффект [33] и индуцированный электрическим полем магнитный монополь изображения [34].

Воспроизведено с разрешения Chang et al., Science 340, 167 (2013 г.) ). Авторское право 2013 г. Американская ассоциация развития науки [24]. c, d Воспроизведено с разрешения Katmis et al., Nature 553, 513 (2016). Авторские права, 2016 г. Издательская группа Nature [32]

Наведенный магнитный момент в ТИ. а Схема КАЭХ в тонкой пленке магнитного ТИ. Направление намагничивания (M) указано красными стрелками. Химическим потенциалом пленки можно управлять с помощью напряжения затвора, приложенного к задней стороне диэлектрической подложки. б Зависимость QAHE от магнитного поля при различных напряжениях затвора в Cr _0,15 (Bi _0,1 Сб _0.9 ) _1.85 Te ₃ фильм. c Схема эксперимента по отражению поляризованных нейтронов (PNR) для Bi ₂ Se ₃ / EuS двухслойная пленка. г Наблюдение ферромагнитного порядка в Bi ₂ Se ₃ / EuS двухслойный образец через магнитную бесконтактную связь с EuS, измеренный с помощью измерений PNR. а , b

Индуцированный магнетизм в других 2D-материалах

Помимо графена и ТИ, магнетизм, вызванный собственными дефектами и легирующими добавками, также исследовался в других 2D-материалах, включая фосфорен [35], силицен [36, 37], GaSe [38], GaN [39], ZnO [40] и т. Д. Результаты расчетов из первых принципов показали, что взаимодействие вакансии и внешней деформации может вызвать магнетизм в фосфорене. Когда деформация происходит вдоль зигзагообразного направления фосфора и вакансий P достигает 4%, система демонстрирует спин-поляризованное состояние с магнитным моментом ~ 1 μ _B на вакансию [35]. Расчеты из первых принципов также предсказали, что дырочное легирование может вызвать ферромагнитный фазовый переход в GaSe и GaS из-за обменного расщепления электронных состояний наверху валентной зоны. Магнитный момент может достигать 1.0 μ . _B на перевозчика [38, 39]. Однако большинство этих исследований ограничиваются теоретическими расчетами. Дальнейшие исследования, особенно экспериментальные, необходимы для понимания магнитного поведения и изучения надежного двумерного ферромагнитного полупроводника при комнатной температуре для практического применения.

Внутренние 2D-магниты

Недавно экспериментально был получен еще один член семейства 2D vdW - 2D магнит [19, 41]. Этот прорыв сразу же привлек внимание исследователей в области двумерного магнетизма. Группа Сюй сначала сообщила, что CrI ₃ вплоть до монослоя проявляет ферромагнетизм Изинга с сильной внеплоскостной магнитной анизотропией, полученный методом магнитооптического эффекта Керра (MOKE) (рис. 3а) [42]. Кроме того, CrI ₃ демонстрирует зависимую от слоя магнитную фазу, где однослойный и трехслойный CrI ₃ являются ферромагнитными, а бислой - антиферромагнитными. Gong et al. сообщил о другом 2D-материале Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ , которому присущ дальний ферромагнитный порядок в атомных слоях [43]. В отличие от CrI ₃ , Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ Сообщается, что это 2D-ферромагнетик Гейзенберга с небольшой магнитной анизотропией. Как показано на рис. 3b, температура ферромагнитного перехода Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ связано с количеством слоев. Другой популярный 2D-ферромагнетик - Fe ₃ . GeTe ₂ , который представляет собой ферромагнитный металл с vdW-структурой, состоящий из слоистого Fe / FeGe / Fe, зажатого между двумя слоями атомов Te [44]. Аномальный эффект Холла был использован для изучения магнетизма Fe ₃ GeTe ₂ , и результаты показывают Fe ₃ GeTe ₂ имеет сильную магнитную анизотропию с направлением легкого намагничивания, параллельным оси c, и температурой Кюри 230 K (рис. 3c) [45]. Однако температура Кюри этих материалов ниже комнатной, что является большим препятствием для применения устройств. Температура Кюри выше комнатной является предпосылкой для практического применения двумерных магнитных материалов. Исследователи приготовили монослои ферромагнетиков комнатной температуры 1 T-VSe ₂ методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ) [41]. Недавно сообщалось о малослойном 1 T-CrTe ₂ показали, что температура Кюри достигла 316 К [46], что дает возможность в будущем использовать двумерные устройства спинтроники. В дополнение к 2D-ферромагнитным материалам широко известны 2D-антиферромагнитные материалы, такие как FePS ₃ [47], MnPS ₃ [48], и CrCl ₃ [49]. Что еще более удивительно, команда Чжан Юаньбо недавно сообщила о QAHE, индуцированном магнитным полем в собственном магнитном топологическом изоляторе MnBi ₂ Te ₄ [50]. MnBi ₂ Te ₄ представляет собой антиферромагнетик с внутрислойным ферромагнетизмом и межслойным антиферромагнетизмом. Путем исследования квантового переноса было проведено точное квантование аномального эффекта Холла в чистом пятислойном MnBi ₂ Te ₄ хлопья наблюдались в умеренном магнитном поле более μ ₀ H ~ 6 Тл при низкой температуре (рис. 3г).

Воспроизведено с разрешения Huang et al., Nature 546, 271 (2017 ). Авторские права, 2017 г. Издательская группа Nature [42]. б Воспроизведено с разрешения Gong et al., Nature 546, 265 (2017). Авторские права, 2017 г. Издательская группа Nature [43]. c Воспроизведено с разрешения Fei et al., Nat. Матер. 17, 778 (2018). Авторские права, 2018 г. Издательская группа Nature [44]. г Воспроизведено с разрешения Deng et al., Science 367, 895 (2020). Авторские права 2020 Американская ассоциация развития науки [50]

Внутренние 2D-магниты. а Сигнал полярного магнитооптического эффекта Керра (MOKE) для CrI ₃ монослой. На вставке - оптическое изображение изолированного монослоя CrI ₃ . . б Температуры перехода T _{C ∗} из Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ для разной толщины график с синими квадратами, полученный из измерений Керра, и график с красными кружками из теоретических расчетов. На вставке - оптическое изображение расслоенного Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ атомные слои на SiO ₂ / Si. c Температурно-зависимые колебания сопротивления Холла в магнитном поле, измеренные на Fe ₃ толщиной 12 нм. GeTe ₂ устройство. На вставке показано изображение типичной тонкой чешуйки FGT на SiO ₂ , полученное с помощью атомно-силового микроскопа. . г КАЭХ, индуцированный магнитным полем, в пятислойном MnBi ₂ Te ₄ образец. Зависит от магнитного поля R _yx при различных температурах. На вставке показана кристаллическая структура MnBi ₂ . Te ₄ и оптическое изображение многослойных хлопьев MnBi ₂ Te ₄ расщеплен Al ₂ О ₃ метод эксфолиации с помощью. а

Элементарные функции операций с 2D-устройством спинтроники

Недавние разработки новых 2D-материалов и некоторых передовых методов определения характеристик позволили области 2D-спинтроники быстро развиваться [51,52,53]. Ключевые вопросы для реализации устройств спинтроники включают преобразование спинового заряда, спиновый транспорт и манипулирование спином. Эффективное генерирование и обнаружение спинового тока является основной проблемой при разработке устройств двумерной спинтроники, которые заменяют электрические. Спиновый транспорт требует подходящего транспортного канала с большим временем жизни спина и распространением спина на большие расстояния. Манипуляции со спином необходимы для управления током вращения и обеспечения функциональности устройства.

Преобразование спина в начисление

Для достижения преобразования спина в заряд предлагается множество методов, таких как инжекция / детектирование электрического спина или использование спинового эффекта Холла и эффектов Эдельштейна, которые происходят из SOC [54,55,56]. Однако спиновой эффект Холла обычно имеет место в объемных материалах, а эффект Эдельштейна обычно рассматривается как интерфейсный эффект [55].

«Нелокальные» и «локальные» измерения обычно используются для выполнения инжекции / детектирования электрического спина в материал канала [14]. Для нелокальных измерений (рис. 4a) электрод E2 представляет собой ферромагнитный металл в качестве спинового инжектора, а E3 - ферромагнитный электрод в качестве спинового детектора. Приложенный ток течет от электродов E1 к E2, и E3 и E4 используются для обнаружения рассеянного сигнала чистого спинового тока. Полярность измеренного напряжения между E3 и E4 зависит от конфигурации намагничивания электродов E2 и E3. Этот метод позволяет получить чистый спиновый ток без тока заряда, в то время как «локальные» измерения получают смешанный сигнал спинового тока и тока заряда (рис. 4b). Разница напряжений между параллельным и антипараллельным выравниванием намагниченности электродов E2 и E3 рассматривается как сигнал переноса спина.

Воспроизведено с разрешения Han et al., Nat. Nanotechnol. 9, 794 (2014). Авторские права 2018 Nature Publishing Group [14]. c , d Воспроизведено с разрешения Mendes et al., Phys. Rev. Lett. 115, 226601 (2015). Авторское право, 2015 г., Американское химическое общество [68]. е , f Воспроизведено с разрешения Shao et al., Nano Lett. 16, 7514 (2016). Авторское право Американского химического общества, 2016 г. [71]

Преобразование спина и заряда в 2D-материалах. а Инжекция и обнаружение электрического спина с нелокальной геометрией измерения. б Инжекция и обнаружение электрического спина с помощью локальной геометрии измерения. c Преобразование спина в заряд в графене на ферромагнитном изоляторе ЖИГ. Спиновый ток генерируется спиновой накачкой из ЖИГ и преобразуется в ток заряда в графене. г Зависимость напряжения спиновой накачки от магнитного поля, измеренная на ЖИГ / графене e Измерения SOT для MX ₂ / Двухслойный CoFeB. MX ₂ представляет MoS ₂ и WSe ₂ . е Иллюстрация индуцированного накопления спина за счет эффекта Рашбы – Эдельштейна (РЗЭ) на границе раздела MX ₂ / CoFeB во внешнем электрическом поле. а , b

Hill et al. впервые сообщил об инжекции спина в графен с помощью магнитомягких NiFe-электродов [57]. Однако эффективность спиновой инжекции оценивается как относительно низкая, около 10%, что можно объяснить несоответствием проводимости между ферромагнитным металлом и графеном. Затем некоторые исследователи предложили использовать изолирующий барьер, такой как Al ₂ О ₃ или MgO в качестве слоя для настройки межфазного спин-зависимого удельного сопротивления и повышения эффективности инжекции вращения [58,59,60], но выращивание высококачественного слоя оксида является серьезной проблемой. Некоторые методы использовались для улучшения технологии выращивания оксидного слоя или перехода на другой межфазный оксидный слой, такой как слой TiO ₂ или HfO ₂ [61, 62]. Однако межфазное сопротивление, зависящее от спина, по-прежнему является фундаментальной проблемой, что приводит к низкой эффективности инжекции спина. Один 2D-изоляционный материал, гексагональный нитрид бора (h-BN), имеет кристаллическую структуру, аналогичную графену. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что использование h-BN в качестве туннельного барьера может создать высококачественный интерфейс и значительно повысить эффективность спин-инжекции графена. Немногочисленный h-BN демонстрирует лучшие характеристики инжекции спина, чем однослойный h-BN [63, 64]. Тем не менее, эти результаты исследований по-прежнему оставляют большой пробел, который необходимо заполнить, прежде чем станет возможным их практическое применение. В конечном счете, для достижения идеальной (100%) инжекции спина требуется много исследований, а 2D-материалы представляют собой многообещающее направление, например 2D-гетероструктуры, состоящие из 2D-ферромагнитных материалов, 2D-туннельные барьеры и 2D-транспортные каналы.

(Обратный) эффект Рашбы-Эдельштейна - это интерфейсный эффект, возникающий из-за сильного SOC, который может быть использован для достижения преобразования спин-заряд [65]. Хотя собственный графен имеет довольно слабое SOC, он может достичь эффективного преобразования спинового заряда, используя сильное SOC соседнего материала через эффект близости [66, 67]. Как показано на рис. 4c, когда графен находится рядом с ферромагнитным диэлектриком YIG, спиновый ток генерируется в слое YIG посредством спиновой накачки, а затем преобразуется в ток заряда в графене с помощью обратного эффекта Эдельштейна [68]. На рис. 4г показаны зависимости напряжения спиновой накачки от поля в устройстве ЖИГ / графен. Напряжения спиновой накачки можно обнаружить в магнитном поле, перпендикулярном графеновому каналу. Более того, когда внешнее магнитное поле направлено вдоль канала графена, напряжение спиновой накачки отсутствует. Кроме того, ионно-жидкостный строб, нанесенный на поверхность графена, очевидно, может модулировать свойства графена, чтобы изменить эффективность преобразования спина в заряд ЖИГ / графен [56].

В отличие от графена, TMDC с сильным SOC считаются перспективными материалами для достижения спин-зарядовой конверсии [69, 70]. Большой вращающий момент на орбите (SOT) в однослойном TMDC (MoS ₂ или WSe ₂ ) / CoFeB двухслойная структура была создана за счет индуцированного током накопления спина, вызванного эффектом Рашба – Эдельштейна (рис. 4д, е) [71]. Полевой крутящий момент и демпфирующий крутящий момент были определены с помощью измерения второй гармоники, и результаты показывают, что однослойные TMDC с большой площадью имеют потенциальные применения из-за их высокой эффективности для перемагничивания. Кроме того, метод спин-крутящего ферромагнитного резонанса (ST-FMR) использовался для исследования преобразования спина и заряда в TMDC. Например, интересный результат ST-FMR показывает, что SOT можно контролировать через симметрию кристалла WTe ₂ в WTe ₂ / Бислои пермаллоя. Когда ток подается вдоль оси низкой симметрии WTe ₂ может возникнуть антидемпфирующий крутящий момент вне плоскости [72]. Свойство фиксации спинового момента в поверхностных состояниях TI полезно для инжекции спинового тока в соседние материалы через SOT. Из-за сильной корреляции между направлением спиновой поляризации и направлением зарядового тока, направлением спина можно управлять с помощью зарядового тока в ТИ. Для исследования преобразования спинового заряда использовались различные методы измерения, включая измерение второй гармоники, спиновую накачку и ST-FMR. Эти результаты измерений демонстрируют возможность создания эффективных SOT в 2D-материалах, таких как TMDC и TI.

Транспорт вращения

Ключ к спиновому транспорту состоит в том, чтобы получить благоприятный спиновый транспортный канал с большой длиной спиновой диффузии и временем спиновой релаксации. Спиновая релаксация вызывается рассеянием по импульсу, поэтому графен со слабым SOC считается идеальным материалом для спинового транспорта [14, 73]. Tombros et al. [74] реализовали перенос электронного спина и прецессию спина в боковом спиновом клапане из одного графена при комнатной температуре путем нелокальных измерений в 2007 году. Как показано на рис. 5a, b, нелокальный спиновый клапан состоит из четырехконцевого ферромагнитного кобальта в качестве электродов, тонкий Al ₂ О ₃ слой оксида в качестве барьера и лист графена в качестве канала переноса спина. Сигнал измерения на рис. 5c показывает, что если ферромагнитные электроды для инжекции спина и детектирования спина имеют параллельное намагничивание, нелокальное сопротивление, измеренное контактами 1 и 2, имеет положительное значение. Если ферромагнитные электроды для инжекции спина и обнаружения спина имеют антипараллельные намагниченности, то нелокальное сопротивление показывает отрицательное значение. Прецессию спина Ханле можно использовать для определения длины диффузии спина и времени жизни спина. Как показано на рис. 5d, время жизни спина ( τ _SF ) и длины спиновой релаксации ( λ _SF ) составляют 125 пс и 1,3 мкм соответственно в боковом спиновом клапане из одного графена при комнатной температуре. Кроме того, затвор можно использовать для увеличения длины спиновой релаксации и увеличения срока службы спина [75, 76]. Согласно теории, время жизни спина в чистом графене может достигать 1 мкс, тогда как экспериментальные значения варьируются от пикосекунд до нескольких наносекунд.

Воспроизведено с разрешения Tombros et al., Nature 448, 571 (2007 г.) ). Copyright 2007 Издательская группа Nature [74]. е - ч Воспроизведено с разрешения Avser et al., Nat. Phys. 13, 888 (2017). Авторские права, 2017 г. Издательская группа Nature [84]

Транспорт спина в боковых спиновых клапанах. а Геометрии измерения нелокального спинового транспорта. Ток подается от электрода 3 через Al ₂ О ₃ барьер в графен и извлекается на контакте 4. b Сканирующая электронная микрофотография четырехконцевого спинового клапана с однослойным графеном в качестве каналов переноса спина и Co в качестве четырех ферромагнитных электродов. c Сигнал нелокального спинового клапана при 4,2 К. Магнитные конфигурации электродов показаны для обоих направлений развертки. г Прецессия спина Ханле в нелокальной геометрии, измеренная как функция перпендикулярного магнитного поля B _z для параллельных конфигураций. е Схема спинового клапана черного фосфора. На вставке схематически изображена гетероструктура. е Оптическое изображение устройства. г Сигнал нелокального спинового клапана как функция магнитного поля в плоскости. Относительное намагничивание электродов инжектора и детектора показано вертикальными стрелками, а горизонтальные стрелки представляют направления движения магнитного поля. ч Прецессия спина Ханле в нелокальной геометрии, измеренная как функция перпендикулярного магнитного поля B _z для параллельной и антипараллельной конфигураций. На вставке показана прецессия спина под действием приложенного магнитного поля. а - г

Многие улучшенные методы используются для увеличения длины диффузии спина и срока службы спина, а некоторые устройства уже демонстрируют большую длину диффузии спина в микрометровом диапазоне [13, 77, 78]. Например, эпитаксиально выращенный на SiC графен обладает высокой подвижностью, демонстрируя эффективность переноса спина до 75% и длину диффузии спина, превышающую 100 мкм [79]. Гетероструктура h-BN / графен / h-BN демонстрирует характеристики переноса спина на большие расстояния, где длина диффузии спина может достигать 30,5 мкм при комнатной температуре [13]. На перенос спина в 2D-материалах может влиять диффузия / дрейф, который можно модулировать путем приложения электрического поля. Ingla-Aynés et al. [80] сообщили о длине спиновой релаксации до 90 мкм в двухслойном графене, инкапсулированном h-BN, с использованием дрейфа носителей. Однако слабый SOC и нулевая запрещенная зона в собственном графене ограничивают его перспективы для полупроводниковых спиновых устройств. Черный фосфор имеет значительную прямую запрещенную зону и подвижность 1000 см ² при комнатной температуре. V ^-1 s ⁻¹ , что делает его идеальным полупроводниковым материалом спинтроники [81,82,83]. Авсар и др. [84] сконструировали боковой спиновой клапан на основе ультратонкого листа черного фосфора и измерили его спиновые транспортные свойства при комнатной температуре с помощью нелокальной геометрии (рис. 5e, f). Электронный спиновой транспорт на рис. 5g показывает, что по мере переключения направлений намагниченности ферромагнетиков нелокальное сопротивление изменяется на Δ R ≈ 15 Ом. В дополнение к этому, прецессия спина Ханле показывает времена спиновой релаксации до 4 нс и длины спиновой релаксации, превышающие 6 мкм (рис. 5h). Спиновый перенос в черном фосфоре тесно связан с концентрацией носителей заряда, поэтому спиновым сигналом можно управлять, прикладывая электрическое поле.

Управление вращением

Осознание манипуляции вращением - ключ к эффективной функционализации устройства. Приложение напряжения затвора может контролировать концентрацию носителей в материале, что может использоваться для управления спиновыми сигналами [85, 86]. Различные 2D-материалы в качестве каналов переноса спина были исследованы для реализации регулировки параметров переноса спина путем приложения напряжения на затворе. Например, графен, индуцированный смещением, может получить спин-инжекцию и поляризацию детектирования до 100% в гетероструктуре ферромагнетик / двухслойный h-BN / графен / h-BN [64]. Спиновый вентиль с регулируемым затвором на основе черного фосфора может достигать времени спиновой релаксации в наносекундном диапазоне и большой длины спиновой релаксации [84]. For a semiconducting MoS₂ channel, applying a gate voltage can still get a relatively long spin-diffusion length, larger than 200 nm [70]. However, a suitable spin field-effect device requires a clear switching ratio, which is a challenge for graphene and even for semiconducting 2D materials [87, 88].

To solve this issue, a vdW heterostructure based on atomically thin graphene and semiconducting MoS₂ has been developed to achieve a spin field-effect switch via applying a gate voltage (Fig. 6a) [89]. In this structure, the superior spin transport properties of graphene and the strong SOC of MoS₂ are combined. The applied gate voltage can change the conductivity of MoS₂ and spin absorption during the spin transport, which results in switching of the spin current between ON and OFF states in the graphene channel (Fig. 6b). Another research effort produced a similar report about the graphene/MoS₂ vdW heterostructure. In this report, an electric gate control of the spin current and spin lifetime in the graphene/MoS₂ heterostructure was achieved at room temperature [90]. Moreover, that report pointed out that the mechanism of gate tunable spin parameters stemmed from gate tuning of the Schottky barrier at the MoS₂ /graphene interface and MoS₂ channel conductivity.

source contact. б Effective B _SO как функция от V _g . The inset shows the surface carrier distribution in the Cr-TI layer under V _g  = − 10 V, + 3 V, and + 10 V. a - c Reproduced with permission from Yan et al., Nat. Commun. 7, 1 (2016). Copyright 2016 Nature Publishing Group [89]. г , e Reproduced with permission from Fan et al., Nat. Mater. 13, 699 (2014). Copyright 2014 Nature Publishing Group [95]. е , г Reproduced with permission from Fan et al., Nat. Nanotechnol. 11, 352 (2016). Copyright 2016 Nature Publishing Group [96]

Spin manipulation. а Schematic illustration of a 2D spin field-effect switch based on a vdW heterostructure of graphene/MoS₂ with a typical nonlocal magnetoresistance measurement. б The nonlocal resistance R _nl switches between R _P и R _AP for parallel and antiparallel magnetization orientations of the Co electrodes. The spin signal is calculated as ΔR _nl  = R _P − R _AP . c The plot with blue circles shows the gate modulation of the spin signal ΔR _nl . The solid black line represents the sheet conductivity of the MoS₂ как функция от V _g . The insets show the spin current path in the OFF and ON states of MoS₂ . г Schematic illustration of SOT-induced magnetization switching in a Cr-doped TI bilayer heterostructure. The inset shows illustrations of the Hall bar device and the measurement setting. е Experimental results of SOT-induced magnetization switching by an in-plane direct current at 1.9 K while applying a constant in-plane external magnetic field B _y during the measurement. The inset shows an enlarged version of the circled part in the figure. е 3D schematic of the Hall bar structure of the Al₂ О ₃ /Cr-TI/GaAs stack with a top Au gate electrode. A gate voltage of V _g can be applied between the top gate and the

Current-induced SOT is regarded as another efficient strategy to manipulate spin. The spin current, generated by the spin Hall effect within the heavy metals or the Rashba effect at the interfaces, can exert a spin torque to ferromagnets and thereby realize magnetization switching [91,92,93]. Efficient current-induced magnetization switching via SOT may lead to innovative spintronic applications. Due to strong SOC and time-inversion symmetry breaking, magnetically doped TIs are being considered as a promising material to manipulate spin signals via SOT [94]. Wang’s group first experimentally demonstrated a magnetization switching induced by an in-plane current in an epitaxial Cr-doped TI (Bi_0.5 Sb_0. 5)₂ Te ₃ /(Cr_0.08 Bi_0.54 Sb_0.38 ) ₂ Te ₃ bilayer film (Fig. 6c) [95]. The spin Hall angle in the Cr-doped TI film, ranging from 140 to 425, is almost three orders of magnitude larger than that in heavy metal/ferromagnetic heterostructures, and the critical switching current density is below 8.9 × 104 A cm ⁻² at 1.9 K (Fig. 6d). Furthermore, this team also reported an effective electric field control of SOT in a Cr-doped (Bi_0.5 Sb_0.42 ) ₂ Te ₃ thin film epitaxially grown on GaAs substrate (Fig. 6e) [96]. The gate effect on the magnetization switching was investigated by scanning gate voltage under a constant current and an applied in-plane magnetic field in the film (Fig. 6f). The SOT intensity depends strongly on the spin-polarized surface current in the thin film, and it can be modulated within a suitable gate voltage range. The effective electric field control of SOT in the TI-based magnetic structures has potential applications in magnetic memory and logic devices.

In addition, electrical control of emerged 2D magnets has also been investigated. For example, utilizing electric fields or electrostatic doping can achieve the magnetic conversion of bilayer CrI₃ antiferromagnetic to ferromagnetic [97]. The coercivity and saturation field of few-layer Cr₂ Ge ₂ Te₆ can be modulated via ionic liquid gating [98]. In contrast to magnetic semiconductor, electrostatic doping can be used to control the carrier concentrations of the ferromagnetic metal, and the ferromagnetic transition temperature of Fe₃ GeTe₂ can be dramatically raised to room temperature via an ionic gate [99]. The emergence and research of 2D magnets provide a new platform for engineering next-generation 2D spintronic devices.

Applications of 2D Spintronics

2D materials exhibit great potential for the engineering of next-generation 2D spintronic devices. Graphene with high electron/hole mobility, long spin lifetimes, and long diffusion lengths is a promising candidate for a spin channel. Moreover, graphene can gain magnetism by introducing adatoms, or magnetic proximity effect [23, 25]. The carrier density in proximity-induced ferromagnetic graphene can be modulated by gating, allowing to observe Fermi energy dependence of the anomalous Hall effect conductivity. This result can help understand the physical origin of anomalous Hall effect in 2D Dirac fermion systems. Realizing a ferromagnetic surface state in a TI is predicted to allow several prominent phenomena to emerge, such as the interfacial magnetoelectric effect [33], and the electric field-induced image magnetic monopole [34]. However, the current technology of inducing magnetism in TI is confined to low temperatures, which restrict its potential for applications. A key requirement for useful applications is the generation of room temperature ferromagnetism in the TI. The PNR result shows that the Bi₂ Se ₃ /EuS bilayer has a ferromagnetic order at the interface, and this topologically enhanced interfacial ferromagnetism can persist up to room temperature [32]. The topological magnetoelectric response in such an engineered TI could allow efficient manipulation of the magnetization dynamics by an electric field, providing an energy-efficient topological control mechanism for future spin-based technologies.

The STT, and tunnel magnetoresistance (TMR) effects offer alternative approaches for write and read-out operations. The STT effect refers to the reorientation of the magnetization of ferromagnetic materials via the transfer of spin angular momenta. Efficient current-induced magnetization switching via SOT may lead to innovative spintronic applications [71, 100]. Due to strong SOC and time-inversion symmetry breaking, magnetically doped TIs are being considered as a promising material to manipulate spin signals via SOT [93]. TMR refers to magnetization-dependent magnetoresistance behavior. A high TMR ratio is the key to achieve spintronic devices with higher sensitivity, lower energy consumption. 2D materials with high-quality crystal and sharp interfaces can achieve some new functionalities such as spin filtering. The 2D vdW MTJ consists of a 2D magnetic CrI₃ layer as a spin filtering tunnel barrier, which reaches a value of TMR up 19,000% [101]. Progress in the fabrication of graphene-based and other 2D heterostructures has led to the optimization of long-distance spin diffusion (up to tens of micrometres), as well as directional guiding of the spin current [13, 64]. Spin manipulation, electrical gating [56], electrical field induced drift [80], SOT-induced switching [95, 96], and the magnetic proximity effect [25, 32] have been explored to develop next-generation MRAM.

2D Spintronic Devices for Memory Storage and Logic Applications

Great efforts have been made to search for new 2D spintronic devices. According to the function, 2D spintronic devices can be classified as memory storage or logic devices. Here we focus on several important 2D spintronic devices, including the 2D magnetic tunnel junction (MTJ), 2D spin field-effect transistor (sFET), and 2D spin logic gate.

2D MTJ

The discovery of the GMR opens the door for 2D spintronics. However, TMR has a stronger magnetoresistance ratio than GMR, so TMR holds greater potential in magnetic storage applications. The TMR structure consists of two ferromagnetic layers and an intermediate insulating layer, which is called the MTJ. The tunneling probability is related to the density of states near the Fermi energy in the ferromagnetic layers. When the two magnetic layers are parallel, the similar density of states for each spin-state can provide more available states for tunneling, resulting in a low resistance state. On the other hand, when the layers are antiparallel, a mismatch between spin channels of the source and sink will result in a high resistance state. Some issues in traditional thin-film MTJs limit the achievement of a high TMR ratio, such as the quality of the insulation barrier and the thermal stability [102]. 2D materials with high-quality crystal and sharp interfaces may offer promising routes to address these issues and even achieve some new functionalities such as spin filtering.

Karpan et al. first explored graphene layers as the barrier in vertical MTJ by computational means in 2007 [103]. They proposed a match between the band structure of graphene and that of nickel, predicting a large spin polarization close to 100%, which can result in a large TMR up to 500%. However, the subsequent experimental results show that the MTJs based on graphene exhibit a very low TMR. Compared to monolayer or bilayer graphene, the few-layer MTJ holds the highest recorded TMR signal of up to 31% in graphene-based MTJs [11, 15]. In addition to graphene, some other 2D materials have been explored as tunneling barrier layers, including insulating h-BN and semiconducting TMDCs [104, 105]. Piquemal-Banci et al. [63] fabricated Fe/h-BN/Co junctions where the h-BN monolayer was directly grown on Fe by using the chemical vapor deposition (CVD) method, observing large spin signals of TMR and the spin polarization of P  ~ 17%. MTJs based on MoS₂ or WSe₂ were reported to have only a few percent of the TMR signal; further exploration is needed to achieve a high TMR ratio.

Emerging 2D magnetic materials exhibit many surprising properties. When the magnetizations in bilayer CrI₃ are switched to different magnetic configurations (Fig. 7a), the MTJ based on CrI₃ exhibits a giant TMR produced by the spin-filtering effect [101, 106, 107]. As demonstrated in Fig. 7b, the 2D vdW MTJ consists of a 2D magnetic CrI₃ layer as a spin filtering tunnel barrier, graphene as a contact electrode, and h-BN as an encapsulation layer to prevent device degradation. The transport result shows that the TMR is enhanced as the CrI₃ layer thickness increases, and it reaches a value of 19,000% in four-layer CrI₃ based MTJ at low temperature (Fig. 7c) [101]. Subsequently, Xu’s group also reported gate-tunable TMR in a dual-gated MTJ structure based on four-layer CrI₃ . The TMR can be modulated from 17,000 to 57,000% by varying the gate voltages in a fixed magnetic field [108, 109]. Moreover, with few-layer Fe₃ GeTe₂ serving as ferromagnetic electrodes, the TMR in Fe₃ GeTe₂ /h-BN/Fe₃ GeTe₂ heterostructures can reach 160% at low temperature [110]. More interestingly, Zhou et al. reported a theoretical investigation of a VSe₂ / MoS ₂ /VSe₂ heterojunction, where the VSe₂ monolayer acts as a room-temperature ferromagnet, and the large TMR can reach 846% at 300 K [111]. On the other hand, the strong spin Hall conductivity of MoS₂ holds potential to switch the magnetization of the VSe₂ free layer by SOT. Therefore, they put forward the concept of SOT vdW MTJ with faster reading and writing operations, which offers new opportunities for 2D spintronic devices.

Reproduced with permission from Song et al., Science (2018). Copyright 2018 The American Association for the Advancement of Science [101]. c , d Reproduced with permission from Wen et al., Phys. Rev. Appl. 5, 044003 (2016). Copyright 2016 American Chemical Society [118]

2D spintronic Devices. а Magnetic states of bilayer CrI₃ with different external magnetic fields. б Schematic illustration of a 2D spin-filter MTJ with bilayer CrI₃ sandwiched between graphene contact. c Tunneling current of a bilayer CrI₃ sf-MTJ at selected magnetic fields. The top inset shows an optical image of the device, and the bottom inset shows the schematic of the magnetic configuration in different magnetic fields. г Diagram of a proposed 2D XOR spin logic gate, where A, B, and M are ferromagnetic electrodes on top of a spin transport channel. Я _s и я _вне denote the injection and detection currents, respectively. The magnetizations of the electrodes are input logic 1 and 0. The detected current I _вне serves as the logic output. е Я _вне measured as a function of H . Vertical arrows indicate the magnetization states of A and B. The top-left inset shows the table of XOR logic operation. а , b

2D sFET

Datta and Das first proposed the idea of the sFET in 1990 [112]. The sFET consists of the source and sink ferromagnetic electrodes, and a two-dimensional electron gas (2DEG) channel which can be controlled by an electrical gate. The gate voltage can result in a spin precession and, consequently, a change in the spin polarization of the current on the channel. Since switching the current through the device requires only little energy and a short time, sFET is expected to be a 2D spintronic device with low power consumption and high computing speed.

As mentioned in the previous section, graphene with high carrier concentration and weak SOC is considered to be a promising candidate as a spin transport channel [113]. Michetti et al. [76] designed a double-gate field-effect transistor structure, where bilayer graphene acts as the transport channel. Theoretical analysis shows that the spin precession of carriers in the graphene channel can be turned on and off by the application of a differential gate voltage. Experimentally, Avsar et al. first reported a dual-gated bilayer graphene structure with h-BN as a dielectric layer, where the spin current propagation in bilayer graphene channel can be controlled by exerting a vertical electric field [114]. The transport results show that the spin-relaxation time decreases monotonically as the carrier concentration increases, and the spin signal exhibits a rapid decrease, eventually becoming undetectable close to the charge neutrality point. A suitable spin field-effect device requires a clear switching ratio, which is a challenge for graphene.

To solve this issue, a graphene/MoS₂ heterostructure has been developed to achieve a spin field-effect switch via applying a gate voltage. Two independent groups demonstrated that the applied gate voltage can change the conductivity of MoS₂ and result in spin absorption during the spin transport, which gives rise to switching the spin current between ON and OFF states in the graphene channel [89]. Due to the low spin injection efficiency and rapid spin relaxation in channels, it is a challenge to achieve a large high-to-low conductance ratio in 2D sFET device. However, the discovery of 2D magnetic crystals provides new opportunities to explore new 2D spintronic devices. Kin Fai Mak’s group reported a spin tunnel field-effect transistor (sTFET) based on a dual-gated graphene/CrI₃ /graphene heterostructure [115]. By using bilayer CrI₃ as a magnetic tunnel barrier, the applied gate voltage can switch magnetization configurations of bilayer CrI₃ from interlayer antiferromagnetic to ferromagnetic states under a constant magnetic field near the spin-flip transition. Distinct from conventional spin transistors, these devices rely on electrically controlling the magnetization configuration switching rather than the signal of spin current in the channel. This technique allows the sTFET devices to achieve a large high–low conductance ratio approaching 400%, which provides a new approach for exploring memory applications.

2D Spin Logic Gate

Dery and Sham first reported a spin logic device based on an “exclusive or” (XOR) gate [116]. The XOR logic gate structure includes a semiconductor channel and three ferromagnetic terminals. An XOR logic operation can be implemented by different spin accumulations, which is caused by different magnetization configurations of the input terminals [117]. Experimentally, the proposed three-terminal XOR logic gate achieved logical operations in a graphene spintronic device at room temperature [117,118,119]. As shown in Fig. 7c, the device includes single-layer graphene as the channel, and three ferromagnetic terminals composed of A, B, and M Co electrodes with MgO tunnel barriers. The magnetization of the electrodes A and B represents the input states 0 or 1, and the current of the electrode M acts as the output state. The magnetizations of input electrodes A and B will be switched by varying an applied external magnetic field, which results in a different spin accumulation in the M electrode, corresponding to a different output current. If the input A and B electrodes have identical contributions to the output M electrode, then the current in the output ferromagnetic terminal has a detectable value only when the magnetization of input ferromagnetic terminals are antiparallel (01 or 10). When the magnetizations of the input ferromagnetic terminals are parallel (00 or 11), the output current is almost zero. Therefore, the XOR logic operation can be achieved (Fig. 7d).

Dery et al. further designed a reconfigurable magnetologic gate with five-terminal structure combining two XOR gates-XOR (A, X) and XOR (B, Y) with a shared output terminal, M [119]. Similar to the three-terminal XOR logic gate, the different magnetic configurations of input electrodes give rise to the different spin accumulation in the output terminal M, which results in different output signals. By analogy, a finite number of these XOR gates can be used to implement any binary logic function. Subsequently, other groups extended this theoretical design to experimental studies by constructing graphene spin logic gates [120,121,122]. Various modeling, simulation, and experimental explorations of 2D spin logic gates have helped to accelerate the progress toward building practical spin logic applications. However, two key issues remain in the research of graphene spin logic gates. The first one is to balance the contributions of two input terminals to the output one. The other one is to eliminate the influence of background signals on the output.

Challenges and Opportunities in 2D Spintronics

As discussed above, much theoretical and experimental research has been carried out to explore spintronics based on 2D materials, and considerable progress has been achieved [15, 123, 124]. However, great challenges still need to be addressed for the practical application of 2D memory and logic applications. We now discuss three of these:physical mechanisms, materials science, and device engineering.

Physical Mechanisms

Due to the complexity of the experiments, the proposed theoretical research and experimental results usually have large discrepancies. For example, based on the mechanism of spin relaxation, theory predicted that the spin lifetime for pristine graphene would be up to 1 μs, whereas experimental values range from tens of picoseconds to a few nanoseconds [14, 57, 103]. Furthermore, the spin injection efficiency of graphene measured experimentally ranges from a few percent to 10%, which is far smaller than the theoretical prediction value of 60–80% [125]. These differences indicate that more in-depth physical mechanisms and accurate theoretical models need to be proposed and developed to better guide the research direction and analyze the experimental results.

Materials Science

2D materials provide an ideal platform to construct various heterostructures for spintronic applications. However, there are still many major problems in 2D materials. For example, stability is a great challenge for 2D materials. Most 2D materials of thickness close to the atomic level are susceptible to moisture, oxygenation, and temperature, especially the recently emerging 2D magnetic materials, which must be peeled off in a glove box with ultra-low water and oxygen content. Besides this, most currently available 2D magnets rely on mechanical exfoliation, and their low magnetic transition temperature is far below room temperature. These are significant limitations because stability in air, convenient wafer-scale synthesis, and operation above room temperature are prerequisites for 2D materials used in practical applications.

Device Engineering

Breakthroughs have been made in the fundamental study of 2D spintronics, such as enhanced spin injection efficiency by using 2D tunnel barriers h-BN, long spin diffusion length up to 30 μm at room temperature in graphene-based 2D heterostructures [13], and high TMR up to 19,000% by using 2D magnets as spin filter barriers [101]. Based on the study of 2D spintronic devices, it is promising to develop the low-power device applications, including advanced magnetic memories and spin logic circuits, which are compatible with the existing complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) electronics. However, the design and application of functional 2D spintronic devices are still in the early theoretical prediction and proof-of-concept stage.

Opportunities

2D spintronics is an important scientific research field with many potential applications for future technologies. As mentioned above, considerable challenges currently remain, but there are also many opportunities. Spin valves based on graphene as the spin transport channel can exhibit a long spin diffusion length up to 30 mm at room temperature [13]. Magnetic tunnel junctions with four-layer CrI₃ as spin filter tunneling barriers show giant TMR up to 19,000% at low temperatures [101]. The magnetic transition temperature of Fe₃ GeTe₂ can reach above room temperature via an ionic liquid gate or when tailored by a TI [99, 126]. Spin-polarized current can be injected from WTe₂ into magnetic substrates by SOT switching [127]. New concepts of spin tunneling field-effect transistors based on 2D magnets CrI₃ have been proposed as well. The demonstration of giant TMR, the efficient voltage control of 2D magnetism, and the magnetization switching in 2D magnets by STT or SOT all open up opportunities for potential next-generation spintronic devices based on atomically thin vdW crystals [21, 100].

Заключение

The study about the magnetic properties of 2D materials is of great significance to the development of 2D spintronics. The magnetic interaction in graphene and TIs has scarcely been explored, and recently discovered 2D magnets also provide an ideal platform to study 2D magnetism. Great progress has been made in 2D spintronics in recent decades, especially in graphene spintronics. However, the origin of spin relaxation in graphene is still a major open question, and further improvement in the spin lifetime and spin diffusion length remains an important research direction for graphene-based spintronic devices. The practical application of 2D spintronic devices still requires meeting great challenges, including related physical mechanisms, materials science, and device engineering. The development of technology, the improvement of theoretical models, and the exploration of new materials all provide more opportunities for new-generation 2D spintronic device applications in the future.

Доступность данных и материалов

Not applicable.

Сокращения

2D:

Двумерный

GMR:

Giant magnetoresistance effect

STT-MRAM:

Spin-transfer-torque magnetoresistive random-access memory

vdW:

Van der Waals

SOC:

Spin–orbit coupling

TMDC:

Дихалькогениды переходных металлов

TIs:

Topological insulators

SQUID:

Сверхпроводящее устройство квантовой интерференции

YIG:

Yttrium iron garnet

QAHE:

Quantum anomalous Hall effect

PNR:

Spin-polarized neutron reflectivity

MOKE:

Magneto-optical Kerr effect

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

h-BN:

Hexagonal boron nitride

SOT:

Spin–orbit torque

ST-FMR:

Spin-torque ferromagnetic resonance

MTJ:

Magnetic tunnel junction

sFET:

Spin field-effect transistor

TMR:

Tunneling magnetoresistance

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

2DEG:

Двумерный электронный газ

sTFET:

Spin tunnel field-effect transistor

XOR:

Exclusive or

CMOS:

Complementary metal-oxide semiconductor