Прорыв в двумерной спинонке: передовой опыт и будущие горизонты

Аннотация

Спиноника — наиболее перспективная технология для создания альтернативных многофункциональных высокоскоростных низкоэнергопотребляющих электронных устройств. Благодаря уникальным физическим свойствам, новые двухмерные (2D) материалы предоставляют платформу для исследования новых спинонических устройств. Недавно 2D-спинфика достигла значительного прогресса как в теоретических, так и в экспериментальных исследованиях. В обзоре рассмотрен прогресс 2D-спинники, а также обозначены текущие вызовы и будущие возможности в этой области.

Введение

С открытием гигантского магнитосопротивления (GMR) спиноника быстро развилась в привлекательную область, цель которой — использовать спиновую степень свободы электронов как носитель информации для хранения данных и логических операций. В отличие от обычных микроэлектронных устройств на базе заряда, спинонические устройства требуют меньше энергии для переключения спинового состояния, что обеспечивает более высокую скорость и меньшее потребление. Поэтому спиноника — лучшая перспектива для создания альтернативных многофункциональных высокоскоростных низкоэнергопотребляющих устройств. Хотя STT-MRAM уже выпускается коммерчески, остаются технические проблемы: эффективная генерация и инъекция спин-поляризованных носителей, дальний спин-транспорт, манипуляция и детекция спинового направления.

Параллельно с бумом спиноники, двухмерные (2D) ван-дер-Ваальсовы (vdW) материалы находятся на передовой материаловедения с момента изоляции графена. В отличие от объемных аналогов, 2D vdW материалы демонстрируют новые физические феномены. Некоторые 2D материалы уже показали большой потенциал для инженерии следующего поколения 2D спинонических устройств. Например, графен обладает высокой подвижностью электронов/дырок, длинным временем жизни спина и длиной диффузии, что делает его перспективным спиновым каналом. Однако нулевая запрещенная зона и слабое спин-орбитальное взаимодействие (СОВ) ограничивают создание графеновых токовых ключей. Напротив, 2D дихалкогениды переходных металлов (TMDC) имеют переменные запрещенные зоны, сильное СОВ и уникальную спин-валичную связь, позволяя манипулировать спином и валичностью для не易失ного хранения информации. Топологические изоляторы (TI) с топологически защищенными поверхностными состояниями имеют сильное спин-орбитальное взаимодействие для реализации спин-импульсной блокировки, подавляющей рассеяние и повышающей эффективность спин-зарядного преобразования. Новые 2D магниты с внутренними магнитными основными состояниями до атомных толщин открывают новые пути для 2D спинонических приложений.

С развитием 2D-спинники необходим обзор последних экспериментальных и теоретических работ. В статье рассмотрен прогресс 2D-спинники, обсуждены вызовы и возможности. Первая секция: магнетизм в 2D материалах (индуцированные магнитные моменты в графене, TI и других 2D материалах через легирование или эффект близости, и внутренние 2D магниты). Вторая: три элементарные функции 2D спинонических устройств — спин-зарядное преобразование, спин-транспорт, спин-манипуляция. Третья: применения 2D-спинники. Четвертая: потенциальные устройства для памяти и логики. Пятая: вызовы и возможности для практического применения.

Магнетизм в 2D материалах

Магнетизм важен для технологий хранения данных. Однако большинство 2D материалов (графен) не являются внутренне магнитными. Два метода для индукции магнетизма: 1) генерация спин-поляризации через вакансии или адсорбированные атомы; 2) магнитный эффект близости с соседними магнитными материалами. Недавно открытые 2D магнитные vdW кристаллы имеют внутренние магнитные основные состояния на атомном масштабе, открывая беспрецедентные возможности для спиноники.

Индуцированные магнитные моменты в графене

Идеальный графен сильно диамагнитетен, поэтому множество теоретических и экспериментальных работ изучают его магнетизм. Вакансии, водород или фтор индуцируют магнитные моменты. Группа Каваками использовала адсорбированный водород для легирования графена (Рис. 1a) и детектировала чистый спин-ток нелокальными измерениями спин-транспорта, демонстрируя формирование магнитных моментов (Рис. 1b). Характерная впадина при нулевом магнитном поле показывает рассеяние чистого спин-ток обменным сцеплением с водород-индуцированными локальными магнитными моментами. Графен с фтором и вакансиями имеет парамагнитные моменты, измеряемые SQUID. Однако реализация дальнодействующего ферромагнитного порядка в легированном графене остается вызовом. Предлагается магнитный эффект близости: при контакте с магнитным диэлектриком π-орбитали графена и спин-поляризованные d-орбитали диэлектрика вступают в обменное взаимодействие, создавая дальний ферромагнитный заказ. В гетероструктуре графен/иттрий-железный гранат (YIG) аномальный Холловский сигнал сохраняется до 250 К (Рис. 1c,d).

Индуцированные магнитные моменты в TI

2D материалы чувствительны к среде (влага, кислород). Проводящее поверхностное состояние TI считается более стабильным 2D материалом. Поверхностное состояние TI демонстрирует спин-импульсовую блокировку, позволяя манипулировать спин-сигналом направлением зарядового тока. Нарушение Т-инвариантности легированием магнитных атомов или эффектом близости порождает экзотические феномены: квантовый аномальный Холловский эффект (QAHE). Чанг с соавт. впервые наблюдали QAHE в Cr-легированном магнитном TI Cr₀.₁₅(Bi₀.₁Sb₀.₉)₁.₈₅Te₃ (Рис. 2a). Настройка уровня Ферми дает плато Холловской проводимости e²/h. Измерения показывают гейт-тюнируемое аномальное Холловское сопротивление, достигающее квантованного значения h/e² при нулевом поле (Рис. 2b). Легирование магнитными атомами ограничено для надежного дальнего магнитного порядка на поверхности TI. Магнитный эффект близости между TI и магнитными материалами избегает дефектов, создавая дальний порядок через межфазное обменное сцепление. Спин-поляризованная нейтронная рефлектометрия (PNR) изучила интерфейсный магнетизм Bi₂Se₃/EuS (Рис. 2c). PNR показывает ферромагнитный порядок на интерфейсе, сохраняющийся до комнатной температуры (Рис. 2d). Реализация ферромагнитного поверхностного состояния в TI предсказывает интерфейсный магнитоэлектрический эффект и электрическое поле-индуцированный образной магнитный монополь.

Индуцированный магнетизм в других 2D материалах

Помимо графена и TI, магнетизм от внутренних дефектов и легирования изучен в фосфорене,силицене, GaSe, GaN, ZnO и др. Первоначенческие расчеты: сочетание вакансий и внешнего напряжения порождает магнетизм в фосфорене. При напряжении по зигзагу и 4% P-вакансий — спин-поляризованное состояние с магнитным моментом ~1 μB на вакансию. Расчеты также предсказывают, что p-легирование индуцирует ферромагнитный фазовый переход в GaSe и GaS из-за обменного расщепления состояний на вершине валентной зоны. Магнитный момент до 1,0 μB на носитель. Большинство исследований ограничены теорией; нужны эксперименты для понимания магнитного поведения и поиска надежных 2D комнатных ферромагнитных полупроводников.

Внутренние 2D магниты

Недавно экспериментально получены 2D магниты — новый член 2D vdW семьи. Прорыв привлек внимание к 2D магнетизму. Группа Сю впервые сообщила, что CrI₃ до монослоя демонстрирует Изинговский ферромагнетизм с сильной внеплоской анизотропией методом МОКЕ (Рис. 3a). CrI₃ показывает слой-зависимую магнитную фазу: монослой и трислой — ферромагнитны, бислой — антиферромагнитен. Гонг с соавт. сообщили о Cr₂Ge₂Te₆ с внутренним дальним ферромагнитным порядком в атомных слоях (Рис. 3b). В отличие от CrI₃, Cr₂Ge₂Te₆ — 2D Гейзенберговский ферромагнит с малой анизотропией. Температура Кюри зависит от числа слоев. Популярный 2D ферромагнит Fe₃GeTe₂ — vdW ферромагнитный металл со слоистой структурой Fe/FeGe/Fe между Te-слоями (Рис. 3c). Аномальный Холловский эффект показывает сильную анизотропию с легкой осью вдоль c-оси и Tc=230 К. Температура Кюри ниже комнатной — препятствие для устройств. Необходима Tc выше комнатной. Исследователи подготовили комнатные ферромагнитные монослои 1T-VSe₂ МБЭ. Недавно сообщенный малослойный 1T-CrTe₂ показал Tc=316 К — перспектива для 2D спинонических устройств. Также известны 2D антиферромагниты: FePS₃, MnPS₃, CrCl₃. Команда Чжанъ Юаньбо сообщила о магнитном поле-индуцированном QAHE во внутреннем магнитном топологическом изоляторе MnBi₂Te₄ (антиферромагнит со внутрислойным ферромагнетизмом и межслойным антиферромагнетизмом). Квантовый транспорт показал точную квантованность аномального Холловского эффекта в чистом пятислойном MnBi₂Te₄ при поле >6 Т при низких температурах (Рис. 3d).

Элементарные функции 2D спинонических устройств

Развитие 2D материалов и передовых методов характеристики ускорило 2D-спиннику. Ключевые вопросы: спин-зарядное преобразование, спин-транспорт, спин-манипуляция. Эффективная генерация и детекция спин-тока — главный вызов для замены электрических устройств. Спин-транспорт требует подходящего канала с длинным временем жизни спина и дальним распространением. Спин-манипуляция необходима для управления спин-током и функциональности устройства.

Спин-зарядное преобразование

Методы: электрическая спин-инъекция/детекция, спин- Холловский эффект, Эдельштейновские эффекты (происходят от СОВ). Спин-Холловский эффект обычно в объемных материалах, Эдельштейновский — интерфейсный.

«Нелокальные» и «локальные» измерения для электрической спин-инъекции/детекции в канал. Нелокальное (Рис. 4a): E2 — ферромагнитный инжектор, E3 — детектор. Ток E1→E2, чистый спин-ток диффундирует к E3/E4. Напряжение E3-E4 зависит от магнитных конфигураций E2/E3. Дает чистый спин-ток без зарядового. Локальное (Рис. 4b): смешанный сигнал спин/заряда. Разность напряжений при параллельной/антипараллельной намагниченности E2/E3 — сигнал спин-транспорта.

Хилл с соавт. впервые инъецировали спин в графен мягкими NiFe электродами — эффективность ~10%, причина: несоответствие проводимости ферромагнитного металла и графена. Предлагали изоляционные барьеры (Al₂O₃, MgO) для настройки интерфейсной спин-зависимой резистивности и повышения эффективности, но рост качественного оксида — вызов. Использовали TiO₂, HfO₂. Интерфейсная спин-зависимая резистивность остается фундаментальной проблемой. 2D диэлектрик h-BN (структура как графен) как туннельный барьер дает высококачественный интерфейс и значительно улучшает спин-инъекцию. Несколько слоев h-BN лучше монослоя. Но разрыв до практического применения велик. Идеальная (100%) спин-инъекция требует исследований; 2D гетероструктуры из 2D ферромагнитных материалов, 2D туннельных барьеров и 2D каналов — перспективное направление.

(Обратный) Рашба-Эдельштейновский эффект — интерфейсный эффект от сильного СОВ для спин-зарядного преобразования. Внутренний графен имеет слабое СОВ, но может эффективно конвертировать спин-заряд через сильное СОВ соседнего материала эффектом близости. При контакте графена с ферромагнитным диэлектриком YIG (Рис. 4c) спин-ток генерируется в YIG спин-накачкой, затем конвертируется в зарядовой ток в графене обратным Эдельштейновским эффектом. Рис. 4d: спин-накаточный потенциал vs поле в YIG/графен. Сигнал есть при перпендикулярном поле, нет — при параллельном. Ионно-жидкостной гейт на графене модулирует эффективность конверсии.

В отличие от графена, TMDC с сильным СОВ перспективны для спин-зарядной конверсии. Большой спин-орбитальный момент (SOT) в монослойном TMDC (MoS₂ или WSe₂)/CoFeB бислое генерируется токоиндуцированным спин-накоплением от Рашба-Эдельштейновского эффекта (Рис. 4e,f). Полеподобный и демпфирующий моменты определены второй гармоникой — большие площади монослойных TMDC перспективны за высокую эффективность переключения намагниченности. ST-FMR используется для изучения спин-зарядной конверсии в TMDC. Пример: SOT управляется кристаллической симметрией WTe₂ в WTe₂/Permalloy. Ток по оси низкой симметрии WTe₂ генерирует внеплоский антидемпфирующий момент. Спин-импульсовая блокировка в поверхностных состояниях TI полезна для инъекции спин-тока в соседние материалы через SOT. Сильная корреляция направления спин-поляризации и зарядового тока позволяет манипулировать спином зарядовым током в TI. Разные техники (вторая гармоника, спин-накачка, ST-FMR) демонстрируют эффективный SOT в 2D материалах (TMDC, TI).

Спин-транспорт

Ключ — благоприятный канал с длинной длиной спин-диффузии и временем спин-релаксации. Спин-релаксация от импульсного рассеяния → графен со слабым СОВ идеален для спин-транспорта. Томброс с соавт. реализовали электронный спин-транспорт и спин-прецессию в латеральном однослойном графеновом спин-клапане при комнатной температуре нелокальными измерениями (2007). Рис. 5a,b: четырехконтактный ферромагнитный кобальт, тонкий Al₂O₃ барьер, графен канал. Сигнал Рис. 5c: параллельная намагниченность инжектора/детектора → положительное нелокальное сопротивление; антипараллельная → отрицательное. Хэнлевская спин-прецессия определяет длину диффузии и время жизни. Рис. 5d: τ_sf=125 пс, λ_sf=1,3 мкм при комнатной температуре. Гейт может усилить длину релаксации и время жизни. Теория предсказывает τ_sf до 1 мкс в идеальном графене, эксперимент: пикосекунды — несколько наносекунд.

Многие методы увеличили длину диффузии и время жизни, устройства показывают микрометровые длины. Эпитаксиальный графен на SiC: высокое подвижность, эффективность спин-транспорта до 75%, длина диффузии >100 мкм. h-BN/графен/h-BN гетероструктура: длина диффузии 30,5 мкм при комнатной температуре. Спин-транспорт в 2D материалах влияет диффузия/дрифт, модулируемая электрическим полем. Ингла-Айнэс с соавт. сообщили о длине релаксации 90 мкм в h-BN инкапсулированном двухслойном графене дрифтом носителей. Однако слабое СОВ и нулевая запрещенная зона внутреннего графена ограничивают перспективы полупроводниковых спин-устройств. Черный фосфор: существенная прямая запрещенная зона и комнатная подвижность 1000 см²/В·с — идеальный полупроводниковый спинонический материал. Авсар с соавт. построили латеральный спин-клапан на ультротонком черном фосфоре, измерили спин-транспорт при комнатной температуре нелокальной геометрией (Рис. 5e,f). Электронный спин-транспорт (Рис. 5g): при переключении намагниченности ферромагнитных ΔR_nl ≈ 15 Ом. Хэнлевская прецессия (Рис. 5h): время релаксации до 4 нс, длина >6 мкм. Спин-транспорт в черном фосфоре связан с концентрацией зарядников → спин-сигнал управляется электрическим полем.

Спин-манипуляция

Реализация управления спином — ключ к функциональности устройств. Гейтовое напряжение управляет концентрацией носителей, манипулируя спин-сигналами. Различные 2D материалы как каналы изучались для гейт-регулирования спин-транспорта. Смещенный графен достигает 100% спин-инъекции/детекции в ферромагнит/двухслойный h-BN/графен/h-BN гетероструктуре. Гейт-тюнируемый спин-клапан на черном фосфоре: время релаксации в наносекундах, длинная длина релаксации. Для полупроводникового MoS₂ канала гейт дает длину спин-диффузии >200 нм. Но подходящее спин-полевое устройство требует четкого коэффициента переключения — вызов для графена и даже полупроводниковых 2D материалов.

Для решения: vdW гетероструктура атомно тонкого графена и полупроводникового MoS₂ для спин-полевого переключателя гейтовым напряжением (Рис. 6a). Комбинируются превосходный спин-транспорт графена и сильное СОВ MoS₂. Гейт меняет проводимость MoS₂ и спин-абсорбцию при транспорте → переключение спин-тока между ON/OFF в графеновом канале (Рис. 6b). Другая группа продемонстрировала похожий графен/MoS₂ vdW гетероструктуру: электрическое гейт-управление спин-током и временем жизни спина при комнатной температуре. Механизм: гейт-тюнирование Шотткиевского барьера на интерфейсе MoS₂/графен и проводимости MoS₂ канала.

Токоиндуцированный SOT — другая эффективная стратегия манипуляции спином. Спин-ток, генерируемый спин-Холловским эффектом в тяжелых металлах или Рашба-эффектом на интерфейсах, оказывает спин-момент на ферромагниты, реализуя переключение намагниченности. Эффективное токоиндуцированное переключение через SOT ведет к инновационным приложениям. Из-за сильного СОВ и нарушения Т-инвариантности магнитные легированные TI перспективны для манипуляции спин-сигналами через SOT. Группа Ван впервые экспериментально демонстрировала переключение намагниченности вплоскостным током в эпитаксиальном Cr-легированном TI (Bi₀.₅Sb₀.₅)₂Te₃/(Cr₀.₀₈Bi₀.₅₄Sb₀.₃₈)₂Te₃ бислое (Рис. 6c). Угол спин- Холла в Cr-TI пленке 140–425 — почти на три порядка выше, чем в тяжелые металл/ферромагнит гетероструктуры, критическая плотность тока переключения <8,9×10⁴ А/см² при 1,9 К (Рис. 6d). Та же группа сообщила об эффективном электрическом управлении SOT в Cr-легированном (Bi₀.₅Sb₀.₄₂)₂Te₃ тонкой пленке на GaAs (Рис. 6e). Гейт-эффект на переключении изучался сканированием гейт-напряжения при постоянном токе и вплоскостном поле (Рис. 6f). Интенсивность SOT сильно зависит от спин-поляризованного поверхностного тока и модулируется в подходящем гейт-диапазоне. Эффективное электрическое управление SOT в TI-магнитных структурах перспективно для магнитной памяти и логики.

Также изучается электрическое управление новыми 2D магнитами. Электрические поля или электростатическое легирование переключают бислой CrI₃ из антиферромагнитного в ферромагнитное. Коэрцитивное поле и поле насыщения малослойного Cr₂Ge₂Te₆ модулируются ионно-жидкостным гейтом. В отличие от магнитных полупроводников, электростатическое легирование управляет концентрацией носителей ферромагнитного металла, и Tc Fe₃GeTe₂ резко повышается до комнатной температуры ионным гейтом. Появление 2D магнитов дает новую платформу для инженерии следующего поколения 2D спинонических устройств.

Применения 2D спиноники

2D материалы перспективны для инженерии следующего поколения спинонических устройств. Графен с высокой подвижностью, длинным временем жизни спина и длиной диффузии — перспективный спиновый канал. Графен может обрести магнетизм адсorption или эффектом близости. Носительная плотность в ферромагнитном графене эффектом близости модулируется гейтом, позволяя наблюдать Ферми-энергетическую зависимость аномальной Холловской проводимости — понимание физического происхождения аномального Холловского эффекта в 2D системе Дирака. Реализация ферромагнитного поверхностного состояния в TI предсказывает интерфейсный магнитоэлектрический эффект и электрическое поле-индуцированный образной магнитный монополь. Но текущая технология индукции магнетизма в TI ограничена низкими температурами. Ключевое требование — комнатный ферромагнетизм в TI. PNR показывает ферромагнитный порядок на интерфейсе Bi₂Se₃/EuS, сохраняющийся до комнатной температуры. Топологический магнитоэлектрический отклик может позволить эффективное управление динамикой намагниченности электрическим полем — энергоэффективный топологический механизм управления для будущих спин-технологий.

STT и туннельный магнитосопротивление (TMR) предлагают альтернативные подходы для записи и чтения. STT — реориентация намагниченности ферромагнитных материалов переносом спинового углового момента. Эффективное токоиндуцированное переключение через SOT ведет к инновациям. Из-за сильного СОВ и нарушения Т-инвариантности магнитные легированные TI перспективны для манипуляции спин-сигналами через SOT. TMR — намагниченностно-зависимое магнитосопротивление. Высокое TMR — ключ к высокой чувствительности и низкому потреблению. 2D материалы с высоким качеством кристалла и резкими интерфейсами достигают новых функций: спин-фильтрация. 2D vdW MTJ с 2D магнитным CrI₃ как спин-фильтрующим туннельным барьером достигает TMR до 19 000%. Прогресс в fabricación графеновых и других 2D гетероструктур оптимизировал дальний спин-диффузию (до десятков микрометров) и направленное руководство спин-тока. Спин-манипуляция, электрическое гейтирование, электрическое поле-индуцированный дрифт, SOT-переключение, магнитный эффект близости исследуются для следующего поколения MRAM.

2D спинонические устройства для памяти и логики

Большие усилия направлены на поиск новых 2D спинонических устройств. По функции: память или логика. Фокус на важных устройствах: 2D MTJ, 2D sFET, 2D спин-логические вентили.

2D MTJ

Открытие GMR открыло дверь 2D-спиннике. TMR имеет больший магнитосопротивляющий коэффициент, чем GMR, поэтому TMR перспективнее для магнитного хранения. TMR структура: два ферромагнитных слоя и промежуточный изолятор — MTJ. Туннельная вероятность связана с плотностью состояний у уровня Ферми в ферромагнитных слоях. Параллельные слои → похожая плотность состояний для каждого спина → больше доступных состояний для туннелирования → низкое сопротивление. Антипараллельные → несоответствие спин-каналов → высокое сопротивление. Проблемы традиционных тонкопленочных MTJ: качество изоляционного барьера, термическая стабильность. 2D материалы с качественным кристаллом и резкими интерфейсами могут решить эти проблемы и дать новые функции: спин-фильтрацию.

Карпан с соавт. впервые исследовали графен как барьер в вертикальном MTJ вычислительно (2007). Предсказали соответствие зонной структуры графена и никеля, большую спин-поляризацию ~100%, TMR до 500%. Но эксперименты показывают очень низкий TMR для графеновых MTJ. По сравнению с одно/двуслойным графеном, малослойный MTJ дает наивысший TMR 31% в графеновых MTJ. Другие 2D материалы как туннельные барьеры: изолирующий h-BN, полупроводниковые TMDC. Пікмаль-Банси с соавт. изготовили Fe/h-BN/Co с h-BN монослоем, выращенным CVD на Fe, наблюдая большие спин-сигналы TMR и спин-поляризацию P~17%. MTJ на MoS₂ или WSe₂ — лишь несколько процентов TMR, нужны дальнейшие исследования.

Новые 2D магнитные материалы демонстрируют удивительные свойства. При переключении намагниченности в бислое CrI₃ в разные магнитные конфигурации (Рис. 7a), MTJ на CrI₃ показывает гигантский TMR от спин-фильтрующего эффекта. Рис. 7b: 2D vdW MTJ — CrI₃ как спин-фильтрующий барьер, графен контактный электрод, h-BN инкапсуляция. Транспорт: TMR растет с толщиной CrI₃, достигает 19 000% в четырехслойном CrI₃ MTJ при низких температурах. Группа Сю также сообщила о гейт-тюнируемом TMR в двухгейтовом MTJ на четырехслойном CrI₃: TMR модулируется от 17 000 до 57 000% гейт-напряжениями в фиксированном поле. С малослойным Fe₃GeTe₂ как ферромагнитными электродами TMR в Fe₃GeTe₂/h-BN/Fe₃GeTe₂ достигает 160% при низких температурах. Чжоу с соавт. теоретически исследовали VSe₂/MoS₂/VSe₂ гетероструктуру: VSe₂ монослой — комнатный ферромагнит, большой TMR 846% при 300 К. Сильная спин- Холловская проводимость MoS₂ потенциально переключает намагниченность свободного слоя VSe₂ через SOT. Концепция SOT vdW MTJ с быстрым чтением/записью — новые возможности.

2D sFET

Датта и Дас предложили sFET в 1990 г. Состоит из ферромагнитных источник/сток и 2D электронного газа (2DEG) канала, управляемого электрическим гейтом. Гейт вызывает спин-прецессию, меняя спин-поляризацию тока в канале. Переключение тока требует мало энергии и времени → sFET ожидается как низкоэнергопотребляющее высокоскоростное 2D спиноническое устройство.

Графен с высокой концентрацией носителей и слабым СОВ — перспективный спин-транспортный канал. Микетти с соавт. спроектировали двухгейтовую структуру, где двухслойный графен — транспортный канал. Теория: спин-прецессия носителей в графеновом канале включается/выключается дифференциальным гейт-напряжением. Экспериментально Авсар с соавт. впервые сообщили о двухгейтовой двухслойной графеновой структуре с h-BN диэлектриком, где распространение спин-тока в графеновом канале управляется вертикальным электрическим полем. Результаты: время спин-релаксации монотонно уменьшается с ростом концентрации носителей, спин-сигнал быстро падает, становясь неделимым близко точке зарядовой нейтральности. Подходящее спин-полевое устройство требует четкого коэффициента переключения — вызов для графена.

Для решения: графен/MoS₂ гетероструктура для спин-полевого переключателя гейтовым напряжением. Две независимые группы показали, что гейт меняет проводимость MoS₂ и вызывает спин-абсорбцию при транспорте → переключение спин-тока между ON/OFF в графеновом канале. Из-за низкой эффективности спин-инъекции и быстрой спин-релаксации в каналах — вызов достичь большого высоко-низко коэффициента проводимости в 2D sFET. Но открытие 2D магнитных кристаллов дает новые возможности. Группа Кин Фай Мака сообщила о спин-туннельном полевом транзисторе (sTFET) на двухгейтовой графен/CrI₃/графен гетероструктуре. Используя бислой CrI₃ как магнитный туннельный барьер, гейт переключает магнитные конфигурации бислоя CrI₃ из межслойного антиферромагнитного в ферромагнитное при постоянном поле около спин-флип перехода. В отличие от обычных спин-транзисторов, эти устройства полагаются на электрическое управление переключением магнитной конфигурации, а не на сигнал спин-тока в канале. Это позволяет sTFET достигать большого высоко-низко коэффициента проводимости ~400% — новый подход для памяти.

2D спин-логический вентиль

Дери и Шам впервые предложили спин-логическое устройство на базе «исключающее ИЛИ» (XOR). Структура XOR: полупроводниковый канал и три ферромагнитных терминала. XOR операция реализуется разными спин-накоплениями от разных магнитных конфигураций входных терминалов. Экспементально предложенный трехтерминальный XOR достиг логических операций в графеновом спиноническом устройстве при комнатной температуре. Рис. 7c: устройство включает однослойный графен канал и три ферромагнитных терминала A, B, M Co электродов с MgO туннельными барьерами. Намагниченность A и B — входные состояния 0/1, ток M — выходное состояние. Намагниченность A и B переключается внешним магнитным полем → разная спин-аккумуляция в M → разный выходной ток. Если A и B дают идентичный вклад в M, то детектируемый ток в выходном терминале есть только при антипараллельной намагниченности входов (01 или 10). При параллельной (00 или 11) — ток почти нуль. Таким образом достигается XOR (Рис. 7d).

Дери с соавт. спроектировали переконфигурируемый магнитологический вентиль пятитерминальной структуры, комбинирующий два XOR — XOR(A,X) и XOR(B,Y) с общим выходом M. Аналогично, разные магнитные конфигурации входов дают разную спин-аккумуляцию в M → разные выходные сигналы. Конечное число таких XOR может реализовать любую бинарную логическую функцию. Другие группы расширили теоретический дизайн к экспериментам, строя графеновые спин-логические вентили. Различные моделирование, симуляция и эксперименты ускорили прогресс к практическим спин-логическим приложениям. Но два ключевых вызова остаются: балансировка вкладов двух входных терминалов к выходному и устранение влияния фоновых сигналов на выход.

Вызовы и возможности в 2D спинонике

Как обсуждалось, много теоретических и экспериментальных исследований проведено, достигнут значительный прогресс. Но большие вызовы остаются для практического применения 2D памяти и логики. Обсуждаем три: физические механизмы, материаловедение, инженерия устройств.

Физические механизмы

Из-за сложности экспериментов теория и эксперимент часто сильно расходятся. Пример: по механизму спин-релаксации теория предсказывает время жизни спина в идеальном графене до 1 мкс, эксперимент: десятки пикосекунд — несколько наносекунд. Эффективность спин-инъекции экспериментально: несколько процентов — 10%, теория: 60–80%. Эти различия указывают на необходимость более глубоких физических механизмов и точных теоретических моделей для направления исследований и анализа результатов.

Материаловедение

2D материалы — идеальная платформа для гетероструктур спиноники. Но проблемы: стабильность — великий вызов. Большинство 2D материалов атомной толщины чувствительны к влаге, окислению, температуре, особенно новые 2D магниты — требуют эксфолиации в гловебоксе с ультра-низким H₂O/O₂. Большинство доступных 2D магнитов основаны на механической эксфолиации, их магнитные переходные температуры далеко ниже комнатной. Это серьезные ограничения: стабильность в воздухе, удобный вейфер-масштабный синтез, работа выше комнатной температуры — предпосылки для практического применения.

Инженерия устройств

Прорывы в фундаментальном изучении 2D спиноники: повышенная эффективность спин-инъекции 2D туннельными барьерами h-BN, длинная спин-диффузия до 30 мкм при комнатной температуре в графеновых 2D гетероструктурах, высокий TMR до 19 000% 2D магнитами как спин-фильтрующими барьерами. На основе изучения 2D спинонических устройств перспективно развивать низкоэнергопотребляющие приложения: передовые магнитные памяти и спин-логические схемы, совместимые с существующей CMOS электроникой. Но проектирование и применение функциональных 2D спинонических устройств все еще на ранней стадии теоретических предсказаний и доказательств концепции.

Возможности

2D спиноника — важная научная область с потенциальными приложениями для будущих технологий. Несмотря на вызовы, есть возможности. Спин-клапаны на графене как канале демонстрируют длину спин-диффузии до 30 мм при комнатной температуре. MTJ с четырехслойным CrI₃ как спин-фильтрующими барьерами показывают гигантский TMR до 19 000% при низких температурах. Tc Fe₃GeTe₂ может достичь выше комнатной температуры ионно-жидкостным гейтом или при модификации TI. Спин-поляризованный ток может инъецироваться из WTe₂ в магнитные подложки SOT-переключением. Новые концепции спин-туннельных полевых транзисторов на 2D магнитах CrI₃ предложены. Демонстрация гигантского TMR, эффективное напряженное управление 2D магнетизмом и переключение намагниченности в 2D магнитах STT или SOT открывают возможности для потенциальных следующего поколения спинонических устройств на атомно тонких vdW кристаллах.

Заключение

Изучение магнитных свойств 2D материалов имеет большое значение для развития 2D спиноники. Магнитное взаимодействие в графене и TI мало изучено, недавно открытые 2D магниты дают идеальную платформу для изучения 2D магнетизма. Значительный прогресс в 2D спинонике за последние десятилетия, особенно в графеновой спинонике. Однако происхождение спин-релаксации в графене остается большим открытым вопросом, дальнейшее улучшение времени жизни спина и длины диффузии — важное направление для графеновых спинонических устройств. Практическое применение 2D спинонических устройств требует преодоления вызовов: физических механизмов, материаловедения, инженерии устройств. Развитие технологий, улучшение теоретических моделей и исследование новых материалов дают больше возможностей для приложений нового поколения 2D спинонических устройств в будущем.

Доступность данных и материалов

Не применимо.

Аббревиатуры

2D:

Двумерный

GMR:

Гигантский магнитосопротивляющий эффект

STT-MRAM:

Магниторезистивная оперативная память с переносом спин-момента

vdW:

Ван-дер-Ваальс

SOC:

Спин-орбитальное взаимодействие

TMDCs:

Дихалкогениды переходных металлов

TIs:

Топологические изоляторы

SQUID:

Сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор

YIG:

Иттрий-железный гранат

QAHE:

Квантовый аномальный Холловский эффект

PNR:

Спин-поляризованная нейтронная рефлектометрия

MOKE:

Магнито-оптический Керровский эффект

MBE:

Молекулярно-лучовая эпитаксия

h-BN:

Гексагональный нитрид бора

SOT:

Спин-орбитальный момент

ST-FMR:

Спин-моментная ферромагнитная резонанс

MTJ:

Магнитный туннельный контакт

sFET:

Спин-полевой транзистор

TMR:

Туннельный магнитосопротивление

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

2DEG:

Двумерный электронный газ

sTFET:

Спин-туннельный полевой транзистор

XOR:

Исключающее ИЛИ

CMOS:

Комплементарная металл-оксид-полупроводниковая