Slovak Bilimler Akademisi’nden fizikçilerin liderliğindeki ortak bir Avrupa araştırma ekibi, grafeni bir ferroelektrik ile birleştirerek spin akımlarını kontrol etmek için yeni bir yaklaşımı teorileştirdi.2Bak3 tek katmanlı. Araştırmacı, ilk prensipleri ve sıkı bağlayıcı simülasyonları kullanarak In’in ferroelektrik anahtarlamasının olduğunu gösterdi.2Bak3 Bir elektriksel döndürme anahtarı görevi gören grafendeki dönüş akımının yönünü tersine çevirebilir. Bu keşif, enerji tasarruflu, uçucu olmayan ve mıknatıssız spintronik cihazlara doğru yeni bir yol sunarak, spin dokularını kontrol etmek için yeni nesil spin tabanlı mantık ve bellek sistemlerinin üretilmesine yönelik önemli bir adıma işaret ediyor.
Bulgular dergide yayınlandı Malzeme Vadeli İşlemleri.
Spintronik ve grafenin vaadi
Geçtiğimiz yirmi yılda spintronik, bilgiyi taşımak ve işlemek için elektronların içsel açısal momentumundan veya spininden yararlanmayı amaçlayan, nanoelektronikteki en umut verici öncülerden biri olarak ortaya çıktı. Geleneksel şarj tabanlı elektroniklerin aksine, dönüş tabanlı mantık ve bellek, daha hızlı çalışma hızları ve kalıcı veri saklamanın yanı sıra, güç tüketiminde ve ısı dağılımında büyük miktarlarda azalma vaat ediyor.
Malzeme ve cihaz mimarisindeki hızlı ilerlemeye rağmen temel bir engel varlığını sürdürüyor: dış manyetik alanlara dayanmadan dönüş akımları üzerinde hassas, düşük enerjili elektriksel kontrolün sağlanması. Manyetik manipülasyon, etkili olmasına rağmen, cihazın ölçeklenebilirliği, enerji verimliliği ve mevcut yarı iletken teknolojileriyle uyumluluk açısından büyük zorluklar doğurmaktadır.
Bu bağlamda iki boyutlu (2D) malzemeler, grafenin en popüler temsilcilerinden biri olduğu yeni bir manzara açmıştır.
Heteroyapılar ve ferroelektrik kontrol
Olağanüstü elektronik hareketliliği ve uzun dönme-gevşeme süresiyle grafen, spintronik için başlıca adaydır. Bununla birlikte, zayıf içsel dönüş-yörünge bağlantısı, doğrudan dönüş kontrolünü sınırlar. Bunun üstesinden gelmek için araştırmacılar, van der Waals heteroyapılarına yöneldiler ve yakınlık etkileri yoluyla yeni işlevsellikler oluşturmak için grafeni diğer 2 boyutlu malzemelerle istiflediler.
Çekici bir heteroyapı, grafenin ferroelektrik malzemelere, uygulanan bir voltajla kontrol edilebilen kendiliğinden bir elektrik polarizasyonuyla bağlanmasını içerir. Bir ferroelektrik malzeme grafen ile temas ettirildiğinde, onun elektrik dipolü arayüzdeki ters simetriyi kırabilir. Bu yakınlık prensipte dönüş yönüne ve saf elektrik anahtarlamaya izin verebilir.
Bu kavramı dikkate alan bir grup araştırmacı yeni bir grafen/In geliştirdi.2Bak3 In’nin ferroelektrik polarizasyonunun neden olduğu yakınlık etkilerinin olduğu heteroyapı platformu2Bak3 Grafendeki spin-yörünge bağlantısını modüle edebilir. İlk prensip hesaplamalarını ve sıkı bağlama modellemesini kullanarak, In’in polarizasyon yönünün ters çevrildiğini gösterdiler.2Bak3 Rashba-Edelstein etkisinin işaretini tersine çevirir, böylece dönüş dokularının kiralitesini ve dönüş akımı yönünü değiştirir. Bu modülasyon, manyetik alanlar olmadan ve polarizasyon ayarlandıktan sonra ihmal edilebilir bir güçle gerçekleşir.
Temel bulgular ve gelecek yönelimler
Araştırma ekibi, grafen/In₂Se₃ heteroyapılarını iki konfigürasyonda araştırdı: mükemmel şekilde hizalanmış (0°) bir arayüz ve bükülmüş bir geometri (17,5°). Ayrıntılı elektronik yapı hesaplamaları yoluyla, In₂Se₃ tek katmanının ferroelektrik polarizasyonunu tersine çevirmenin, grafendeki dönüş akımları için elektriksel bir “kiralite anahtarı” görevi gören yük-spin dönüşüm katsayısının işaretini tersine çevirdiğini buldular.
Sıfır bükümde sistem, uygulanan bir yük akımının, yönü ferroelektrik polarizasyona kilitlenen enine bir dönüş birikimi ürettiği geleneksel bir Rashba-Edelstein etkisi (REE) sergiler. 17,5°’de sistem, daha önce düzlemsel grafen sistemlerinde erişilemeyen yeni bir fenomen olan radyal Rashba alanının ortaya çıkması nedeniyle dönüş akımının yük akışıyla neredeyse aynı doğrultuda olduğu, alışılmadık bir Rashba-Edelstein etkisinin (UREE) hakim olduğu bir rejime geçiş yapar.
Sonuçları, ferroelektrik anahtarlamayla kontrol edilen grafen bazlı spin transistörlerini gerçekleştirmek için teorik bir temel sağlıyor ve potansiyel olarak düşük enerji tüketimi ve yüksek hıza sahip yeni nesil spin mantığı ve bellek cihazlarını mümkün kılıyor. Çalışma, yeni spintronik işlevselliklerden yararlanmak için iki boyutlu ferroelektrik malzemeleri grafenle entegre etme vaadinin altını çiziyor.
Gelecekteki çabalar, düşük enerji tüketimi ve yüksek hıza sahip, elektrikle kontrol edilen, uçucu olmayan spintronik cihazları tam olarak gerçekleştirmek için önerilen sonuçların deneysel olarak doğrulanmasına odaklanmalıdır.
