利用磁性石墨烯研究2D自旋逻辑存储器技术

双层石墨烯/CrSBr异质结构中的自旋电流

所研究器件的简化示意图,显示了双层石墨烯/CrSBr异质结构中自旋电流和自旋电流的产生。磁性Co电极用于确定双层石墨烯中近致自旋极化的程度,其中CrSBr (MCSB)最外层的磁化使得自旋向上的电子(红色箭头)具有更高的电导率。资料来源:格罗宁根大学Talieh Ghiasi

在自旋电子学中,电子的磁矩(自旋)被用来传递和操纵信息。利用二维材料构建的超紧凑二维自旋逻辑电路可以长距离传输自旋信息,并提供强大的自旋极化电荷电流。格罗宁根大学(荷兰)和哥伦比亚大学(美国)的物理学家的实验表明,磁性石墨烯可以成为这些2D自旋逻辑器件的最终选择,因为它有效地将电荷转换为自旋电流,并可以在长距离转移这种强自旋极化。该发现将于今天(2021年5月6日)发表自然纳米技术

自旋电子器件是当前电子产品中极具前景的高速和节能替代品。这些设备利用电子自旋的磁矩(“上”或“下”)传递和存储信息。不断缩小的存储技术需要更小的自旋电子设备,因此它寻求原子薄的材料,可以主动产生大的自旋信号,并在微米长的距离上传输自旋信息。

石墨烯

十多年来,石墨烯一直是最适合自旋信息传输的二维材料。然而,石墨烯本身不能产生自旋电流,除非对其性质进行适当的修饰。实现这一点的一个方法是使它作为一种磁性材料。磁性将有利于一种自旋的通过,从而在自旋向上和自旋向下的电子数量上造成不平衡。在磁性石墨烯中,这将导致高自旋极化电流。

Talieh Ghiasi和Alexey Kaverzin

第一作者Talieh Ghiasi(右)和第二作者Alexey Kaverzin在泽尼克先进材料研究所纳米器件物理实验室。资料来源:格罗宁根大学

这个想法现在已经被格罗宁根大学泽尼克先进材料研究所的巴特·万·威教授领导的纳米器件物理学小组的科学家通过实验证实了。当他们将石墨烯与二维层状反铁磁CrSBr接近时,他们可以直接测量由磁性石墨烯产生的大的自旋极化电流。

Spin-logic

在传统的石墨烯基自旋电子器件中,铁磁(钴)电极用于向石墨烯注入和检测自旋信号。相比之下,在由磁性石墨烯构建的电路中,注入、传输和自旋检测都可以由石墨烯本身完成,该论文的第一作者Talieh Ghiasi解释道。“我们在磁性石墨烯中检测到一个非常大的自旋极化,导电率为14%,这也有望被横向电场有效地调节。”“这一点,再加上石墨烯出色的电荷和自旋输运特性,可以实现全石墨烯二维自旋逻辑电路,其中磁性石墨烯单独可以注入、输运和检测自旋信息。”

此外,任何电子电路中不可避免的散热在这些自旋电子设备中都是一个优势。“我们观察到,由于焦耳加热,磁性石墨烯中的温度梯度被转换为自旋电流。这是由自旋相关的塞贝克效应引起的,我们在实验中也首次在石墨烯中观察到这种效应。”Ghiasi说。利用磁性石墨烯有效地产生自旋电流和自旋热电流,为二维自旋电子技术和自旋热电子技术带来了重大进展。

石墨烯的旗舰

此外,石墨烯的自旋输运对相邻反铁磁最外层的磁性行为高度敏感。这意味着这种自旋输运测量可以读出单个原子层的磁化强度。因此,基于石墨烯的磁性器件不仅解决了二维记忆和感觉系统中石墨烯磁性技术上最相关的方面,而且还提供了对磁性物理的进一步了解。

这些结果的未来含义将在欧盟石墨烯旗舰项目的背景下进行研究,该项目致力于石墨烯和2D材料的新应用。

参考文献:“磁性双层石墨烯产生自旋电流的电和热”,作者T.S. Ghiasi, A.A. Kaverzin, A.H. Dismukes, D.K. de Wal, X. Roy和b.j. van wee, 2021年5月6日,自然纳米技术
DOI: 10.1038 / s41565 - 021 - 00887 - 3

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