Manyetik olmayandan manyetikliğe: Elektriksel olarak ayarlanabilir manyetizmaya sahip 2 boyutlu bir yarı iletken

Singapur Ulusal Üniversitesi’nden (NUS) araştırmacılar, İsviçre, Çek Cumhuriyeti ve Almanya’daki kurumlardan bilim adamlarıyla işbirliği içinde, manyetik olmayan iki boyutlu (2D) bir yarı iletkene manyetizma katmanın ve ardından manyetik özelliklerini bir elektrik voltajı kullanarak kontrol etmenin bir yolunu gösterdi. Bulgular, şu adreste yayınlandı: Bilim Gelişmeleriatomik olarak ince malzemelerde elektriksel olarak kontrol edilebilir manyetizmayı araştırmak için gelecekteki spintronik teknolojiler için potansiyel etkileri olan yeni bir platform oluşturmak.

NUS Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nden yardımcı doçent Ahmet Avşar’ın yürüttüğü çalışma, Ph.D. İlk yazar olarak öğrenci Qi Zhang, manyetizmanın havaya dayanıklı bir 2D yarı iletkene nasıl dahil edilebileceğini ve ardından elektrikli geçit yoluyla nasıl kontrol edilebileceğini gösteriyor.

Geleneksel elektronikler bilgiyi işlemek ve depolamak için elektronların yükünü kullanırken spintronik ek bir özellikten yararlanmaya çalışır: elektronun dönüşü. Bu iki işlevin birleştirilmesi, bilgi işleme ve belleğe yeni yaklaşımlar sağlayabilir. Bununla birlikte, sağlam manyetik düzen sergileyen malzemeler genellikle yarı iletkenlerin elektriksel olarak ayarlanabilirliğinden yoksundur; geleneksel yarı iletkenler ise genellikle manyetik değildir.

İki boyutlu malzemeler bu sınırlamanın üstesinden gelmek için umut verici bir yol sunar çünkü elektronik özellikleri, harici bir kapı voltajı uygulanarak ve kalınlıklarının ayarlanmasıyla güçlü bir şekilde değiştirilebilir. Buradaki zorluk, yarı iletken işlevselliğinden veya çevresel stabiliteden ödün vermeden manyetik düzeni sağlamaktır.

2 boyutlu yarı iletkene manyetizmanın tanıtılması

Araştırmacılar platin diselenide (PtSe) odaklandı₂), elektronik özellikleri kalınlıkla önemli ölçüde değişen, havaya dayanıklı katmanlı bir malzeme. Toplu PtSe iken₂ Metaliktir ve kalınlığını yaklaşık altı atom katmanının altına indirmek onu yarı iletken hale getirir. Bozulmamış haliyle, PtSe₂ manyetik olmayan bir malzemedir.

PtSe’ye küçük bir konsantrasyonda demir (Fe) atomu ekleyerek₂ Ekip, malzemenin kalınlığa bağlı elektronik özelliklerini korurken, kristalin manyetik düzenini sağladı. Atomik çözünürlüklü elektron mikroskobu, Fe atomlarının tespit edilebilir kümelenme veya faz ayrımı olmaksızın doğrudan kristal kafese yer değiştirdiğini doğruladı.

İlginç bir şekilde, indüklenen manyetizmanın doğası, malzeme inceldikçe değişir. Toplu Fe katkılı PtSe₂ Manyetik momentlerin aynı yönde hizalanma eğiliminde olduğu ferromanyetizma sergiler ve Curie sıcaklığı yaklaşık 320 K olup oda sıcaklığının biraz üzerindedir. Ferromanyetik imzalar, önemli ölçüde daha düşük sıcaklıklarda olmasına rağmen, yedi katmana kadar olan metalik cihazlarda varlığını sürdürüyor.

Buna karşılık, daha ince cihazlar, komşu manyetik momentlerin karşıt yönelimleri desteklediği antiferromanyetik düzen ile tutarlı manyetotransport imzaları sergiler. Bu evrim, tek bir malzemenin kalınlığının azaltılmasının, onun manyetik davranışını temelden nasıl değiştirebileceğini göstermektedir.

Manyetik davranışın elektrik voltajıyla değiştirilmesi

En önemli bulgu, elektronik özelliklerin elektrostatik geçitlemeye oldukça duyarlı hale geldiği daha ince cihazlarda ortaya çıkıyor. Araştırmacılar, bir kapı elektroduna voltaj uygulayarak yarı iletkendeki yük taşıyıcılarının konsantrasyonunu ayarlayabilir ve böylece Fe atomları arasındaki manyetik etkileşimleri değiştirebilirler.

Altı katmanlı cihazlarda manyetik tepki, kapı voltajıyla önemli ölçüde değişti. Yüksek delik konsantrasyonlarında manyetik histerezis neredeyse yoktu. Delik konsantrasyonu azaldıkça, antiferromanyetik düzenin elektriksel aktivasyonuyla tutarlı olarak belirgin histerezis ortaya çıktı. Karşılık gelen Neel sıcaklığı yaklaşık 25 K ila 55 K arasında ayarlanabilir. Beş katmanlı yarı iletken cihazlarda, taşıyıcı konsantrasyonu azaldıkça yaklaşık 52 K’den 105 K’ye yükseldi.

Avşar, “Bu sistemi özellikle ilginç kılan şey, havaya dayanıklı, manyetik olmayan bir yarı iletkenden başlayıp, manyetizmayı tanıtmamız ve ardından bu manyetizmayı elektriksel olarak kontrol etmemizdir” dedi. “Bu kombinasyon, seyreltik manyetik yarı iletkenlerde tam olarak aradığımız şeydir.”

Araştırmacılar ayrıca bu davranışın mikroskobik kökenini ilk prensip hesaplamaları yoluyla araştırdılar. Sonuçları, sistemi iki rakip manyetik etkileşimin yönettiğini göstermektedir. Yüksek taşıyıcı konsantrasyonlarında, RKKY etkileşimleri olarak bilinen hareketli elektronların aracılık ettiği etkileşimler ferromanyetizmayı destekler. Taşıyıcı konsantrasyonu azaldıkça, süper değişim etkileşimleri antiferromanyetik düzenin lehine giderek daha önemli hale gelir. Bu yarışma, manyetik davranışın hem malzeme kalınlığı hem de elektriksel geçitleme ile nasıl gelişebileceğini açıklıyor.

Elektrikle kontrol edilebilen 2 boyutlu manyetik yarı iletkenlere doğru

Çalışma aynı zamanda araştırmacıların geçiş metali katkılı PtSe₂ ile ilgili daha önceki çalışmalarına da dayanıyor; bu çalışmalar, seyreltik katkılamanın, katmanlı yapısını korurken elektronik özelliklerini önemli ölçüde değiştirebildiğini gösterdi. İleriye baktığımızda araştırmacılar, farklı manyetik katkıların, katkı konsantrasyonlarının ve kalınlıktaki daha fazla azalmanın manyetik etkileşimleri güçlendirip güçlendirmeyeceğini ve sipariş sıcaklığını yükseltip yükseltemeyeceğini keşfetmeyi amaçlıyor.

Özellikle önemli bir amaç, yarı iletken rejimde oda sıcaklığında veya buna yakın bir sıcaklıkta elektriksel olarak kontrol edilebilir manyetik düzen elde etmektir. Bu bir zorluk olmaya devam etse de, mevcut çalışma yük taşıyıcıları, boyutsallık ve manyetizma arasındaki etkileşimi araştırmak ve manyetik durumların elektriksel olarak manipüle edilebileceği gelecekteki spintronik cihazları geliştirmek için umut verici bir malzeme platformu oluşturmaktadır.

Bu hikaye, araştırmacıların yayınlanmış araştırma makalelerinden bulguları bildirebilecekleri Science X Dialog’un bir parçasıdır. Science X Dialog ve nasıl katılacağınız hakkında bilgi almak için bu sayfayı ziyaret edin.