Avanços recentes na spintrônica bidimensional

Resumo

Spintrônica é a tecnologia mais promissora para desenvolver dispositivos eletrônicos multifuncionais, de alta velocidade e de baixo consumo alternativos. Devido às suas características físicas incomuns, os materiais bidimensionais (2D) emergentes fornecem uma nova plataforma para explorar novos dispositivos spintrônicos. Recentemente, a spintrônica 2D tem feito um grande progresso nas pesquisas teóricas e experimentais. Aqui, o progresso da spintrônica 2D foi revisado. Na última, foram apontados os desafios atuais e as oportunidades futuras neste campo.

Introdução

Com a descoberta e aplicação do efeito da magnetorresistência gigante (GMR), a spintrônica se desenvolveu rapidamente em um campo atraente, com o objetivo de usar o grau de liberdade de spin dos elétrons como um transportador de informações para atingir o armazenamento de dados e operações lógicas [1,2,3 ] Em comparação com dispositivos microeletrônicos convencionais baseados em carga, os dispositivos spintrônicos requerem menos energia para alternar um estado de rotação, o que pode resultar em velocidade de operação mais rápida e menor consumo de energia. Portanto, a spintrônica é a tecnologia mais promissora para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos multifuncionais, de alta velocidade e baixa energia alternativos. Embora a memória de acesso aleatório magnetoresistiva de torque de transferência de spin (STT-MRAM) tenha sido produzida comercialmente, vários problemas técnicos ainda precisam ser resolvidos. Os principais desafios incluem a geração e injeção eficientes de portadoras polarizadas de spin, transmissão de spin de longo alcance e manipulação e detecção da direção do spin [4,5,6].

Em paralelo com o boom da spintrônica, os materiais bidimensionais (2D) van der Waals (vdW) estiveram na fronteira da pesquisa de materiais desde o isolamento do grafeno [7,8,9]. Diferentes de seus materiais a granel, os materiais 2D vdW exibem muitos fenômenos físicos novos. Alguns materiais 2D já mostraram grande potencial para a engenharia de dispositivos spintrônicos 2D de próxima geração [10,11,12]. Por exemplo, o grafeno exibe alta mobilidade elétron / buraco, longos tempos de vida de spin e longos comprimentos de difusão, o que o torna um candidato promissor para um canal de spin [13,14,15]. No entanto, devido às suas características de intervalo zero e acoplamento spin-órbita fraco (SOC), o grafeno tem limitações na construção de interruptores de corrente baseados em grafeno. Em contraste, dichalcogenetos de metais de transição 2D (TMDCs) têm lacunas de banda variadas, forte efeito SOC e, especialmente, acoplamento spin-valley exclusivo, fornecendo uma plataforma para manipular graus de liberdade de spin e vale para armazenamento de informações não voláteis [16, 17]. Isoladores topológicos (TIs) com estados de superfície protegidos topologicamente têm fortes interações spin-órbita para atingir o travamento do spin-momentum, que pode suprimir o espalhamento e aumentar a eficiência de conversão de spin e carga [4, 12, 18]. Imãs 2D emergentes com estados de base magnéticos intrínsecos até espessuras da camada atômica abrem novos caminhos para novas aplicações spintrônicas 2D [19,20,21].

Com o desenvolvimento da spintrônica 2D, é necessário revisar os últimos trabalhos experimentais e teóricos na área. Neste artigo, o progresso da spintrônica 2D foi revisado e alguns desafios atuais e oportunidades futuras também foram discutidos neste campo emergente. A primeira seção analisa o magnetismo em materiais 2D, incluindo momentos magnéticos induzidos em grafeno, TIs e alguns outros materiais 2D por meio dos métodos de dopagem ou efeito de proximidade e alguns ímãs 2D intrínsecos. A segunda seção apresenta as três funcionalidades elementares para alcançar operações de dispositivo spintrônico 2D, incluindo conversão de carga de spin, transporte de spin e manipulação de spin em materiais 2D e em suas interfaces. A terceira seção apresenta uma visão geral das aplicações da spintrônica 2D. A quarta seção apresenta vários dispositivos spintrônicos 2D potenciais para armazenamento de memória e aplicações lógicas. A seção final discute alguns desafios atuais e oportunidades futuras na spintrônica 2D para alcançar a aplicação prática.

Magnetismo em materiais 2D

O magnetismo tem significados importantes nas tecnologias de armazenamento de dados. No entanto, a maioria dos materiais 2D como o grafeno não são intrinsecamente magnéticos. Dois métodos foram propostos para tornar magnéticos materiais não magnéticos. O primeiro método é gerar polarização de spin introduzindo vagas ou adicionando adátomos [22,23,24]. O outro é introduzir magnetismo através do efeito de proximidade magnética com os materiais magnéticos adjacentes [18, 25, 26]. Os cristais vdW magnéticos 2D recentemente descobertos têm estados de base magnéticos intrínsecos na escala atômica, proporcionando oportunidades sem precedentes no campo da spintrônica [20, 27].

Momentos magnéticos induzidos no grafeno

O grafeno puro é fortemente diamagnético, portanto, um grande número de estudos teóricos e experimentais explora o magnetismo do grafeno. A introdução de vagas e a adição de hidrogênio ou flúor têm sido usadas para induzir momentos magnéticos no grafeno [23, 25, 28]. Por exemplo, o grupo de Kawakami utilizou adátomos de hidrogênio para dopar o grafeno (Fig. 1a) e detectou corrente de spin pura por medição de transporte de spin não local para demonstrar a formação de momento magnético em grafeno [23]. Como mostrado na Fig. 1b, o mergulho característico que aparece no campo magnético zero na medição de transporte de spin não local mostra que a corrente de spin pura é espalhada por acoplamento de troca entre elétrons de condução e momentos magnéticos induzidos por hidrogênio local. Além disso, o grafeno com adátomos de flúor e defeitos de vacância possui momentos paramagnéticos, que podem ser medidos por um SQUID (dispositivo de interferência quântica supercondutor) [28]. No entanto, a realização da ordem ferromagnética de longo alcance no grafeno dopado ainda é um desafio esmagador. Alguns pesquisadores propuseram o uso do efeito de proximidade magnética para fazer o grafeno ganhar magnetismo [29]. Quando o grafeno é adjacente a um isolador magnético, os orbitais π do grafeno e os orbitais d polarizados de spin vizinhos no isolador magnético têm uma interação de troca para gerar acoplamento ferromagnético de longo alcance. Como mostrado na Fig. 1c, na heteroestrutura de grafeno / granada ítrio-ferro (YIG), o sinal de efeito Hall anômalo medido pode persistir até 250 K (Fig. 1d) [25].

Reproduzido com permissão de McCreary et al., Phys. Rev. Lett. 109, 186.604 (2012). Copyright 2012 American Chemical Society [23]. (c) e (d) reproduzidos com permissão de Wang et al., Phys. Rev. Lett. 114, 016.603 (2015). Copyright 2015 American Chemical Society [25]

Momento magnético induzido em grafeno. a Previsão teórica de momentos magnéticos em grafeno devido ao hidrogênio. b Momentos magnéticos devido ao dopagem de hidrogênio detectados por medidas de transporte de spin a 15 K. O dispositivo foi medido após 8 segundos de dopagem de hidrogênio. c Esquema da troca de grafeno acoplada a uma película fina ferromagnética de ítrio-ferro atomicamente plana (YIG). d Medições anômalas de resistência Hall em grafeno magnético em diferentes temperaturas. a , b

Momentos magnéticos induzidos em TIs

Os materiais 2D são suscetíveis às condições ambientais, como umidade e oxigênio. O estado da superfície condutiva em regiões de superfície TI é considerado um material 2D mais estável [30]. Além disso, o estado de superfície dos TIs exibe a propriedade de bloqueio do momento de rotação, que fornece uma maneira de manipular o sinal de rotação através da direção da corrente de carga. Mais interessante, quebrar a simetria de reversão do tempo por dopagem de átomos magnéticos ou o efeito de proximidade magnética pode dar origem a alguns fenômenos exóticos, como o efeito Hall anômalo quântico (QAHE) [18, 31]. Chang et al. [24] observou pela primeira vez QAHE em TI magnético dopado com Cr, Cr _0,15 (Bi _0.1 Sb _0,9 ) _1,85 Te ₃ . Conforme demonstrado na Fig. 2a, ao ajustar o nível de Fermi das bandas de TI induzidas magneticamente, podemos observar um platô de condutância Hall de e ² / h . Os resultados medidos mostram que a resistência Hall anômala ajustável por porta atinge o valor quantizado de h / e ² em campo magnético zero (Fig. 2b). No entanto, o efeito de espalhamento de spin de átomos magnéticos dopados é limitado para atingir uma ordem magnética robusta de longo alcance na superfície do TI. A proximidade magnética entre TIs e materiais magnéticos pode evitar a introdução de átomos de dopagem ou defeitos, ganhando uma ordem magnética de longo alcance por acoplamento de troca interfacial. A refletividade de nêutrons com polarização de spin (PNR) foi utilizada para estudar o magnetismo da interface na heteroestrutura de Bi ₂ Se ₃ / EuS (Fig. 2c) [32]. O resultado do PNR mostra que o Bi ₂ Se ₃ A bicamada / EuS tem uma ordem ferromagnética na interface, e este ferromagnetismo interfacial topologicamente aprimorado pode persistir até a temperatura ambiente (Fig. 2d). A realização de um estado de superfície ferromagnética em um TI é prevista para permitir que vários fenômenos proeminentes surjam, como o efeito magnetoelétrico interfacial [33] e o monopolo magnético de imagem induzido por campo elétrico [34].

Reproduzido com permissão de Chang et al., Science 340, 167 (2013 ) Copyright 2013 A Associação Americana para o Avanço da Ciência [24]. c, d Reproduzido com permissão de Katmis et al., Nature 553, 513 (2016). Copyright 2016 Nature Publishing Group [32]

Momento magnético induzido em TIs. a Esquema do QAHE em um filme fino de TI magnético. A direção de magnetização (M) é indicada por setas vermelhas. O potencial químico do filme pode ser controlado por uma tensão de porta aplicada na parte de trás do substrato dielétrico. b Dependência do campo magnético de QAHE em diferentes tensões de porta em Cr _0,15 (Bi _0.1 Sb _0,9 ) _1,85 Te ₃ filme. c Esquema do experimento de refletividade de nêutrons polarizados (PNR) para Bi ₂ Se ₃ / Filme bicamada EuS. d Observação da ordem ferromagnética em Bi ₂ Se ₃ / EuS amostra de bicamada via acoplamento de proximidade magnética ao EuS medido por medições PNR. a , b

Magnetismo induzido em outros materiais 2D

Além do grafeno e TIs, magnetismo induzido por defeitos intrínsecos e dopantes em outros materiais 2D também foram investigados, incluindo fosforeno [35], siliceno [36, 37], GaSe [38], GaN [39], ZnO [40], etc. Os resultados do cálculo dos primeiros princípios mostraram que uma interação entre a vacância e a deformação externa pode dar origem ao magnetismo no fosforeno. Quando uma deformação está ao longo da direção em ziguezague de fosforeno e as vacâncias de P atingem 4%, o sistema exibe um estado polarizado de spin com um momento magnético de ~ 1 μ _B por local vago [35]. Cálculos de primeiros princípios também previram que a dopagem de buraco pode induzir transição de fase ferromagnética em GaSe e GaS, devido à divisão de troca de estados eletrônicos no topo da banda de valência. O momento magnético pode ser tão grande quanto 1,0 μ _B por operadora [38, 39]. No entanto, a maioria dessas investigações se limita a cálculos teóricos. Mais estudos, particularmente trabalhos experimentais, são necessários para compreender os comportamentos magnéticos e explorar semicondutores ferromagnéticos 2D robustos à temperatura ambiente para aplicações práticas.

Ímãs 2D intrínsecos

Recentemente, outro membro da família 2D vdW, o ímã 2D, foi obtido experimentalmente [19, 41]. Esta descoberta atraiu imediatamente grande atenção para explorar o campo do magnetismo 2D. O grupo de Xu relatou pela primeira vez que CrI ₃ até a monocamada exibe um ferromagnetismo de Ising com forte anisotropia magnética fora do plano pela técnica de efeito Kerr magneto-óptico (MOKE) (Fig. 3a) [42]. Além disso, CrI ₃ exibe uma fase magnética dependente de camada, onde monocamada e tricamada CrI ₃ são ferromagnéticos, enquanto a bicamada é antiferromagnética. Gong et al. relatou outro material 2D, Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ , que tem ordem ferromagnética intrínseca de longo alcance nas camadas atômicas [43]. Diferente de CrI ₃ , Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ é relatado como um ferromagneto de Heisenberg 2D com pequena anisotropia magnética. Como mostrado na Fig. 3b, a temperatura de transição ferromagnética de Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ está relacionado ao número de camadas. Outro ferromagneto 2D popular é o Fe ₃ GeTe ₂ , que é um metal ferromagnético vdW composto de Fe / FeGe / Fe em camadas, imprensado entre duas camadas de átomos de Te [44]. O efeito Hall anômalo foi usado para estudar o magnetismo de Fe ₃ GeTe ₂ , e os resultados mostram Fe ₃ GeTe ₂ tem forte anisotropia magnética com uma direção de magnetização fácil paralela ao eixo c e uma temperatura de Curie de 230 K (Fig. 3c) [45]. Porém, a temperatura de Curie desses materiais é inferior à temperatura ambiente, o que é um grande obstáculo para aplicação de dispositivos. Ter a temperatura de Curie acima da temperatura ambiente é um pré-requisito para a aplicação prática de materiais magnéticos bidimensionais. Os pesquisadores prepararam monocamadas ferromagnéticas à temperatura ambiente 1 T-VSe ₂ por epitaxia de feixe molecular (MBE) [41]. O recentemente relatado T-CrTe ₂ de poucas camadas 1 exibiu a temperatura de Curie tão alta quanto 316 K [46], o que fornece a possibilidade para a aplicação de dispositivos spintrônicos 2D no futuro. Além de materiais ferromagnéticos 2D, materiais antiferromagnéticos 2D são amplamente divulgados, como FePS ₃ [47], MnPS ₃ [48] e CrCl ₃ [49]. Mais surpreendentemente, a equipe de Zhang Yuanbo relatou recentemente QAHE induzido por campo magnético em um isolador topológico magnético intrínseco MnBi ₂ Te ₄ [50]. MnBi ₂ Te ₄ é um antiferromagnetismo com ferromagnetismo intralamada e antiferromagnetismo intercamada. Ao sondar o transporte quântico, uma quantização exata do efeito Hall anômalo em um MnBi de cinco camadas primitivo ₂ Te ₄ floco foi observado em um campo magnético moderado acima de μ ₀ H ~ 6 T em baixa temperatura (Fig. 3d).

Reproduzido com permissão de Huang et al., Nature 546, 271 (2017 ) Copyright 2017 Nature Publishing Group [42]. b Reproduzido com permissão de Gong et al., Nature 546, 265 (2017). Copyright 2017 Nature Publishing Group [43]. c Reproduzido com permissão de Fei et al., Nat. Mater. 17, 778 (2018). Copyright 2018 Nature Publishing Group [44]. d Reproduzido com permissão de Deng et al., Science 367, 895 (2020). Copyright 2020, Associação Americana para o Avanço da Ciência [50]

Ímãs 2D intrínsecos. a Sinal de efeito Kerr magneto-óptico polar (MOKE) para um CrI ₃ monocamada. A inserção mostra uma imagem ótica de uma monocamada isolada CrI ₃ . b Temperaturas de transição T _{C ∗} de Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ para espessuras diferentes, o gráfico com quadrados azuis obtidos a partir de medidas de Kerr, e o gráfico com círculos vermelhos de cálculos teóricos. A inserção mostra uma imagem ótica de Cr ₂ esfoliado Ge ₂ Te ₆ camadas atômicas em SiO ₂ /Si. c Varreduras do campo magnético dependente da temperatura da resistência Hall medida em um Fe ₃ de 12 nm de espessura GeTe ₂ dispositivo. A inserção mostra uma imagem de microscópio de força atômica de um floco FGT fino representativo em SiO ₂ . d QAHE induzido por campo magnético em um MnBi de cinco camadas ₂ Te ₄ amostra. Dependente do campo magnético R _yx em várias temperaturas. A inserção mostra a estrutura cristalina de MnBi ₂ Te ₄ e uma imagem ótica de flocos de poucas camadas de MnBi ₂ Te ₄ clivado por um Al ₂ O ₃ método de esfoliação assistida. a

Funcionalidades elementares de operações de dispositivos spintrônicos 2D

Desenvolvimentos recentes em materiais 2D emergentes e algumas técnicas de caracterização avançadas permitiram que o campo da spintrônica 2D se desenvolvesse rapidamente [51,52,53]. Os principais problemas para a realização de dispositivos spintrônicos incluem conversão de carga de spin, transporte de spin e manipulação de spin. A geração e detecção eficientes de corrente de spin é o grande desafio para o desenvolvimento de dispositivos spintrônicos 2D que substituam os elétricos. O transporte de spin deseja um canal de transporte adequado com longa vida útil de spin e propagação de spin de longa distância. A manipulação do spin é necessária para controlar a corrente do spin e obter a funcionalidade do dispositivo.

Conversão Spin – Charge

Muitos métodos são propostos para alcançar a conversão de spin para carga, como por injeção / detecção elétrica de spin ou utilizando o efeito Hall de spin e efeitos de Edelstein, que se originam do SOC [54,55,56]. No entanto, o efeito de spin Hall geralmente ocorre em materiais a granel, enquanto o efeito de Edelstein é geralmente considerado como um efeito de interface [55].

As medições "não locais" e "locais" são comumente utilizadas para realizar injeção / detecção de spin elétrica em um material de canal [14]. Para medição não local (Fig. 4a), o eletrodo E2 é um metal ferromagnético como injetor de spin e E3 é um eletrodo ferromagnético como detector de spin. Uma corrente aplicada flui dos eletrodos E1 para E2, e E3 e E4 são usados para detectar o sinal de corrente de spin puro difundido. A polaridade da tensão medida entre E3 e E4 depende das configurações de magnetização dos eletrodos E2 e E3. Este método pode obter uma corrente de spin pura sem corrente de carga, enquanto as medições “locais” obtêm um sinal misto de corrente de spin e corrente de carga (Fig. 4b). A diferença de tensão entre os alinhamentos de magnetização paralelo e antiparalelo dos eletrodos E2 e E3 é considerada como o sinal de transporte de spin.

Reproduzido com permissão de Han et al., Nat. Nanotecnol. 9, 794 (2014). Copyright 2018 Nature Publishing Group [14]. c , d Reproduzido com permissão de Mendes et al., Phys. Rev. Lett. 115, 226601 (2015). Copyright 2015 American Chemical Society [68]. e , f Reproduzido com permissão de Shao et al., Nano Lett. 16, 7514 (2016). Copyright 2016 American Chemical Society [71]

Gire e carregue a conversão em materiais 2D. a Injeção elétrica de spin e detecção com geometrias de medição não-local. b Injeção elétrica de spin e detecção com geometrias de medição local. c Conversão spin-to-charge em grafeno em YIG, um isolante ferromagnético. A corrente de spin é gerada a partir do bombeamento de spin do YIG e é convertida em corrente de carga no grafeno. d Dependência do campo magnético da tensão de bombeamento de rotação medida em YIG / Grafeno e Medidas SOT para o MX ₂ / Bicamada CoFeB. O MX ₂ representa MoS ₂ e WSe ₂ . f A ilustração do acúmulo de spin induzido pelo efeito Rashba – Edelstein (REE) na interface de MX ₂ / CoFeB sob um campo elétrico externo. a , b

Hill et al. relatou pela primeira vez a injeção de spin no grafeno usando eletrodos magnéticos macios de NiFe [57]. No entanto, estima-se que a eficiência de injeção de spin seja relativamente baixa, em torno de 10%, o que pode ser atribuído à incompatibilidade de condutância entre o metal ferromagnético e o grafeno. Então, alguns pesquisadores propuseram o uso de uma barreira isolante como Al ₂ O ₃ ou MgO como uma camada para ajustar a resistividade dependente do spin interfacial e aumentar a eficiência da injeção de spin [58,59,60], mas o crescimento de uma camada de óxido de alta qualidade é um grande desafio. Alguns métodos têm sido usados para melhorar a técnica de crescimento da camada de óxido ou mudar para outra camada de óxido interfacial, como uma camada de TiO ₂ ou HfO ₂ [61, 62]. No entanto, a resistividade dependente do spin interfacial ainda é o problema fundamental, o que leva a uma baixa eficiência de injeção de spin. Um material de isolamento 2D, nitreto de boro hexagonal (h-BN), tem uma estrutura cristalina semelhante à do grafeno. Estudos teóricos e experimentais mostraram que o uso de h-BN como uma barreira de túnel pode produzir uma interface de alta qualidade e melhorar muito a eficiência da injeção de spin do grafeno. Poucas camadas h-BN exibem melhor desempenho de injeção de spin do que monocamada h-BN [63, 64]. No entanto, os resultados dessas pesquisas ainda deixam uma grande lacuna a ser preenchida antes que a aplicação prática seja possível. Em última análise, para atingir a injeção de spin perfeita (100%) requer muita pesquisa e os materiais 2D fornecem uma direção promissora, como heteroestruturas 2D compostas de materiais ferromagnéticos 2D, barreiras de túnel 2D e canais de transporte 2D.

O efeito Rashba – Edelstein (inverso) é um efeito de interface originado do forte SOC, que pode ser utilizado para obter a conversão de carga de spin [65]. Embora o grafeno intrínseco tenha um SOC bastante fraco, ele pode alcançar conversão de carga de spin eficiente usando o SOC forte de material adjacente via efeito de proximidade [66, 67]. Como mostrado na Fig. 4c, quando o grafeno está adjacente ao isolador ferromagnético YIG, a corrente de spin é gerada na camada YIG via bombeamento de spin, então convertida em uma corrente de carga em grafeno pelo efeito Edelstein inverso [68]. A Figura 4d mostra as curvas de tensão de bombeamento de spin em função do campo no dispositivo YIG / grafeno. As tensões de bombeamento de spin podem ser detectadas no campo magnético perpendicular ao canal de grafeno. Além disso, quando o campo magnético externo é girado ao longo do canal de grafeno, não há voltagem de bombeamento de spin. Além disso, um gating líquido iônico aplicado na superfície do grafeno pode obviamente modular as propriedades do grafeno para alterar a eficiência de conversão de rotação para carga do YIG / grafeno [56].

Ao contrário do grafeno, TMDCs com forte SOC são considerados materiais promissores para alcançar a conversão de carga de spin [69, 70]. Um grande torque de rotação-órbita (SOT) em monocamada TMDC (MoS ₂ ou WSe ₂ ) / A estrutura de bicamada CoFeB foi gerada via acumulação de spin induzida por corrente causada pelo efeito Rashba-Edelstein (Fig. 4e, f) [71]. O torque tipo campo e o torque tipo amortecimento foram determinados por meio de uma medição de segundo harmônico, e os resultados mostram que os TMDCs de monocamada de grande área têm aplicações potenciais devido à sua alta eficiência para reversão de magnetização. Além disso, a técnica de ressonância ferromagnética de torque de spin (ST-FMR) tem sido usada para investigar o spin e a conversão de carga em TMDCs. Por exemplo, um resultado ST-FMR interessante mostra que o SOT pode ser controlado através da simetria do cristal de WTe ₂ em WTe ₂ / Bicamadas Permalloy. Quando a corrente é aplicada ao longo do eixo de baixa simetria de WTe ₂ , um torque anti-amortecimento fora do plano pode ser gerado [72]. A propriedade de bloqueio do momento de rotação em estados de superfície TI é útil para obter injeção de corrente de rotação em materiais adjacentes via SOT. Devido à forte correlação entre a direção da polarização do spin e a direção da corrente de carga, a direção do spin pode ser manipulada pela corrente de carga nos TIs. Diferentes técnicas de medição têm sido usadas para investigar a conversão de carga de spin, incluindo medição de segundo harmônico, bombeamento de spin e ST-FMR. Esses resultados de medição demonstram que é possível gerar SOT eficiente em materiais 2D, como TMDCs e TIs.

Transporte giratório

A chave para o transporte de spin é obter um canal de transporte de spin favorável com um longo comprimento de difusão de spin e tempo de relaxamento de spin. O relaxamento do spin é causado pelo espalhamento do momento, então o grafeno com SOC fraco é considerado um material ideal para o transporte do spin [14, 73]. Tombros et al. [74] realizou transporte eletrônico de spin e precessão de spin em uma única válvula de spin de grafeno lateral à temperatura ambiente por medição não local em 2007. Como mostrado na Fig. 5a, b, a válvula de spin não local é composta de cobalto ferromagnético de quatro terminais como eletrodos, um fino Al ₂ O ₃ camada de óxido como barreira e uma folha de grafeno como canal de transporte de spin. O sinal de medição na Fig. 5c mostra que se os eletrodos ferromagnéticos para injeção de spin e detecção de spin têm magnetizações paralelas, a resistência não local medida pelos contatos 1 e 2 tem um valor positivo. Se os eletrodos ferromagnéticos para injeção de spin e detecção de spin tiverem magnetizações antiparalelas, a resistência não local mostra um valor negativo. A precessão do spin de Hanle pode ser usada para determinar o comprimento de difusão do spin e o tempo de vida do spin. Conforme mostrado na Fig. 5d, o tempo de vida do spin ( τ _sf ) e comprimento de relaxamento de spin ( λ _sf ) são 125 ps e 1,3 μm, respectivamente, em uma única válvula de rotação lateral de grafeno em temperatura ambiente. Além disso, a porta pode ser usada para aumentar o comprimento de relaxamento do spin e a vida do spin [75, 76]. A teoria previu que o tempo de vida do spin no grafeno puro pode chegar a 1 μs, enquanto os valores do experimento relatados variam de picossegundos a alguns nanossegundos.

Reproduzido com permissão de Tombros et al., Nature 448, 571 (2007 ) Copyright 2007 Nature Publishing Group [74]. e - h Reproduzido com permissão de Avser et al., Nat. Phys. 13, 888 (2017). Copyright 2017 Nature Publishing Group [84]

Transporte de spin em válvulas de spin laterais. a Geometrias de medição de transporte de spin não local. Uma corrente é injetada do eletrodo 3 através do Al ₂ O ₃ barreira em grafeno e é extraída no contato 4. b Micrografia eletrônica de varredura de uma válvula de spin de quatro terminais com grafeno de camada única como canais de transporte de spin e Co como quatro eletrodos ferromagnéticos. c Sinal de válvula de rotação não local a 4,2 K. As configurações magnéticas dos eletrodos são ilustradas para ambas as direções de varredura. d Precessão de spin de Hanle na geometria não local, medida em função do campo magnético perpendicular B _z para configurações paralelas. e Esquemas de uma válvula de spin de fósforo preto. A inserção mostra o esquema da heteroestrutura. f Imagem ótica do dispositivo. g Sinal da válvula de spin não local em função do campo magnético no plano. A magnetização relativa dos eletrodos injetores e detectores é ilustrada por setas verticais e as setas horizontais representam as direções de varredura do campo magnético. h Precessão de spin de Hanle na geometria não local, medida em função do campo magnético perpendicular B _z para configurações paralelas e antiparalelas. A inserção mostra a precessão do spin sob o campo magnético aplicado. a - d

Muitos métodos melhorados são usados para aumentar o comprimento de difusão do spin e a vida do spin, e alguns dispositivos já exibem comprimentos de difusão de spin longos na faixa do micrômetro [13, 77, 78]. Por exemplo, o grafeno cultivado epitaxialmente em SiC tem alta mobilidade, exibindo eficiência de transporte de spin de até 75% e comprimento de difusão de spin excedendo 100 µm [79]. A heteroestrutura h-BN / grafeno / h-BN exibe um desempenho de transporte de spin de longa distância, onde o comprimento de difusão de spin pode chegar a 30,5 μm em temperatura ambiente [13]. O transporte de spin em materiais 2D pode ser afetado pela difusão / deriva, que pode ser modulada pela aplicação de um campo elétrico. Ingla-Aynés et al. [80] relataram um comprimento de relaxamento de spin de até 90 μm em grafeno de bicamada encapsulado em h-BN usando deriva de portadora. No entanto, o SOC fraco e o bandgap zero no grafeno intrínseco restringem suas perspectivas para dispositivos de spin semicondutores. O fósforo preto tem um intervalo de banda direto considerável e mobilidade à temperatura ambiente de 1000 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , que o tornam um material spintrônico semicondutor ideal [81,82,83]. Avsar et al. [84] construíram uma válvula de spin lateral com base em uma folha de fósforo preta ultrafina e mediram suas propriedades de transporte de spin em temperatura ambiente por meio da geometria não local (Fig. 5e, f). O transporte eletrônico de spin na Fig. 5g mostra que conforme as direções de magnetização dos ferromagnetos mudam, a resistência não local tem uma mudança de Δ R ≈ 15Ω. Além disso, a precessão de spin de Hanle mostra tempos de relaxamento de spin de até 4 ns e comprimentos de relaxamento de spin excedendo 6 µm (Fig. 5h). O transporte de spin no fósforo preto está intimamente relacionado à concentração do portador de carga, então o sinal de spin pode ser controlado pela aplicação de um campo elétrico.

Manipulação de rotação

Perceber a manipulação do spin é a chave para a funcionalização eficaz do dispositivo. A aplicação de uma tensão de porta pode controlar a concentração da portadora no material, que pode ser usada para manipular os sinais de spin [85, 86]. Vários materiais 2D como canais de transporte de spin foram investigados para realizar o ajuste dos parâmetros de transporte de spin por meio da aplicação de uma tensão de porta. Por exemplo, o grafeno induzido por polarização pode obter uma injeção de spin e polarização de detecção de até 100% na heteroestrutura ferromagneto / bicamada h-BN / grafeno / h-BN [64]. A gate-tunable spin valve based on black phosphorus can reach a spin relaxation time in the nanosecond range and a long spin relaxation length [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. b Effective B _SO em função de 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. Comum. 7, 1 (2016). Copyright 2016 Nature Publishing Group [89]. d , e Reproduced with permission from Fan et al., Nat. Mater. 13, 699 (2014). Copyright 2014 Nature Publishing Group [95]. f , g Reproduced with permission from Fan et al., Nat. Nanotechnol. 11, 352 (2016). Copyright 2016 Nature Publishing Group [96]

Spin manipulation. a Schematic illustration of a 2D spin field-effect switch based on a vdW heterostructure of graphene/MoS₂ with a typical nonlocal magnetoresistance measurement. b The nonlocal resistance R _nl switches between R _P e 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 em função de V _g . The insets show the spin current path in the OFF and ON states of MoS₂ . d 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. e 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. f 3D schematic of the Hall bar structure of the Al₂ O 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 Te₃ /(Cr_0.08 Bi_0.54 Sb_0.38 ) ₂ Te₃ 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 Te₃ 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 Ge₂ 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 Se₃ /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. a Magnetic states of bilayer CrI₃ with different external magnetic fields. b 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. d Diagram of a proposed 2D XOR spin logic gate, where A, B, and M are ferromagnetic electrodes on top of a spin transport channel. eu _s e eu _fora denote the injection and detection currents, respectively. The magnetizations of the electrodes are input logic 1 and 0. The detected current I _fora serves as the logic output. e eu _fora 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. a , 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].

Conclusão

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.

Availability of data and materials

Não aplicável.

Abreviações

2D:: Bidimensional
GMR:: Giant magnetoresistance effect
STT-MRAM:: Spin-transfer-torque magnetoresistive random-access memory
vdW:: Van der Waals
SOC:: Spin–orbit coupling
TMDCs:: Dichalcogenetos de metais de transição
TIs:: Topological insulators
SQUID:: Superconducting quantum interference device
YIG:: Yttrium iron garnet
QAHE:: Quantum anomalous Hall effect
PNR:: Spin-polarized neutron reflectivity
MOKE:: Magneto-optical Kerr effect
MBE:: Epitaxia de feixe molecular
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:: Deposição de vapor químico
2DEG:: Two-dimensional electron gas
sTFET:: Spin tunnel field-effect transistor
XOR:: Exclusive or
CMOS:: Complementary metal-oxide semiconductor

Aplicação multifuncional de nanocompósito de óxido acoplado de Zn-Fe-Mn auxiliado por PVA Crescimento e corrosão seletiva de estruturas multicamadas de silício / silício-germânio dopadas com fósforo para aplicação de transistores verticais

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

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