Progresso Pioneiro em Espintrônica Bidimensional: Pesquisa de Ponta e Horizontes Futuros

Resumo

A espintrônica é a tecnologia mais promissora para desenvolver dispositivos eletrônicos alternativos multifuncionais, de alta velocidade e baixo consumo de energia. Devido às suas características físicas incomuns, os materiais bidimensionais (2D) emergentes fornecem uma nova plataforma para explorar novos dispositivos espintrônicos. Recentemente, a espintrônica 2D fez grandes progressos tanto em pesquisas teóricas quanto experimentais. Aqui, o progresso da espintrônica 2D foi revisado. Por fim, os desafios atuais e oportunidades futuras foram apontados neste campo.

Introdução

Com a descoberta e aplicação do efeito de magnetorresistência gigante (GMR), a espintrônica rapidamente se desenvolveu em um campo atraente, visando usar o grau de liberdade de spin dos elétrons como portador de informação para alcançar armazenamento de dados e operações lógicas. Comparados a dispositivos microeletrônicos convencionais baseados em carga, dispositivos espintrônicos requerem menos energia para comutar um estado de spin, o que pode resultar em velocidade de operação mais rápida e menor consumo de energia. Portanto, a espintrônica é a tecnologia mais promissora para desenvolver dispositivos eletrônicos alternativos multifuncionais, de alta velocidade e baixo consumo de energia. Embora a memória de acesso aleatório magnetorresistiva de torque de transferência de spin (STT-MRAM) tenha sido produzida comercialmente, várias questões técnicas ainda precisam ser resolvidas. Os principais desafios incluem a geração e injeção eficiente de portadores polarizados em spin, transmissão de spin de longo alcance e manipulação e detecção da direção do spin.

Em paralelo com o boom da espintrônica, materiais bidimensionais (2D) de van der Waals (vdW) estiveram na fronteira da pesquisa de materiais desde o isolamento do grafeno. Diferentemente de seus materiais em massa, materiais 2D vdW exibem muitos fenômenos físicos novos. Alguns materiais 2D já mostraram grande potencial para a engenharia de dispositivos espintrônicos 2D de próxima geração. Por exemplo, o grafeno exibe alta mobilidade de elétrons/lacunas, longos tempos de vida de spin e longos comprimentos de difusão, o que o torna um candidato promissor para um canal de spin. No entanto, devido às suas características de gap zero e fraco acoplamento spin-órbita (SOC), o grafeno tem limitações na construção de chaves de corrente baseadas em grafeno. Em contraste, dicalcogenetos de metais de transição 2D (TMDCs) têm gaps de banda variados, forte efeito SOC e, especialmente, acoplamento spin-vale único, fornecendo uma plataforma para manipular graus de liberdade de spin e vale para armazenamento de informação não volátil. Isolantes topológicos (TIs) com estados de superfície topologicamente protegidos têm fortes interações spin-órbita para alcançar travamento spin-momento, o que pode suprimir espalhamento e aumentar a eficiência de conversão spin-carga. Ímãs 2D emergentes com estados magnéticos intrínsecos até espessuras de camada atômica abrem novas avenidas para novas aplicações espintrônicas 2D.

Com o desenvolvimento da espintrônica 2D, é necessário revisar os últimos trabalhos experimentais e teóricos no campo. Neste artigo, o progresso da espintrônica 2D foi revisado, e alguns desafios atuais e oportunidades futuras também foram discutidos neste campo emergente. A primeira seção revisa o magnetismo em materiais 2D, incluindo momentos magnéticos induzidos no grafeno, TIs e alguns outros materiais 2D via métodos de dopagem ou efeito de proximidade, e alguns ímãs 2D intrínsecos. A segunda seção apresenta as três funcionalidades elementares para alcançar operações de dispositivos espintrônicos 2D, incluindo conversão spin-carga, transporte de spin e manipulação de spin em materiais 2D e em suas interfaces. A terceira seção apresenta uma visão geral das aplicações da espintrônica 2D. A quarta seção introduz vários dispositivos espintrônicos 2D potenciais para aplicações de memória e lógica. A seção final discute alguns desafios atuais e oportunidades futuras na espintrônica 2D para alcançar aplicação prática.

Magnetismo em Materiais 2D

O magnetismo tem significados importantes em 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 materiais não magnéticos magnéticos. O primeiro método é gerar polarização de spin introduzindo lacunas ou adicionando adátomos. O outro é introduzir magnetismo via efeito de proximidade magnética com materiais magnéticos adjacentes. Os cristais vdW magnéticos 2D recentemente descobertos têm estados magnéticos fundamentais intrínsecos na escala atômica, proporcionando oportunidades sem precedentes no campo da espintrônica.

Momentos Magnéticos Induzidos no Grafeno

O grafeno puro é fortemente diamagnético, então um grande número de estudos teóricos e experimentais explora o magnetismo do grafeno. Introduzir lacunas e adicionar hidrogênio ou flúor têm sido usados para induzir momentos magnéticos no grafeno. Por exemplo, o grupo de Kawakami utilizou adátomos de hidrogênio para dopar o grafeno e detectou corrente de spin pura por medição de transporte de spin não local para demonstrar formação de momento magnético no grafeno. Como mostrado, o mergulho característico aparecendo a 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 locais induzidos por hidrogênio. Além disso, grafeno com adátomos de flúor e defeitos de lacunas tem momentos paramagnéticos, que podem ser medidos por um SQUID (dispositivo de interferência quântica supercondutor). No entanto, a realização de ordem ferromagnética de longo alcance em grafeno dopado ainda é um desafio avassalador. Alguns pesquisadores propuseram usar o efeito de proximidade magnética para fazer o grafeno ganhar magnetismo. Quando o grafeno é adjacente a um isolante magnético, os orbitais π do grafeno e os orbitais d polarizados em spin vizinhos no isolante magnético têm uma interação de troca para gerar acoplamento ferromagnético de longo alcance.

Momentos Magnéticos Induzidos em TIs

Materiais 2D são suscetíveis a condições ambientais, como umidade e oxigênio. O estado de superfície condutor em regiões de superfície de TIs é considerado um material 2D mais estável. Além disso, o estado de superfície de TIs exibe a propriedade de travamento spin-momento, que fornece uma maneira de manipular o sinal de spin via direção de corrente de carga. Mais interessantemente, quebrar a simetria de reversão temporal pela dopagem de átomos magnéticos ou efeito de proximidade magnética pode dar origem a fenômenos exóticos como o efeito Hall anômalo quântico (QAHE). Chang et al. observaram QAHE pela primeira vez em TI magnético dopado com Cr, Cr_0.15(Bi_0.1Sb_0.9)_1.85Te₃. Como demonstrado, ajustando o nível de Fermi de bandas de TI induzidas magneticamente, podemos observar um platô de condutância Hall de e²/h. Os resultados medidos mostram a resistência Hall anômala ajustável por gate atinge o valor quantizado de h/e² a campo magnético zero. No entanto, o efeito de espalhamento de spin de átomos magnéticos dopados é limitado para alcançar 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 polarizados em spin (PNR) foi utilizada para estudar o magnetismo interfacial na heteroestrutura de Bi₂Se₃/EuS. O resultado PNR mostra que a bicamada Bi₂Se₃/EuS tem uma ordem ferromagnética na interface, e esse ferromagnetismo interfacial topologicamente aprimorado pode persistir até a temperatura ambiente. Realizar um estado de superfície ferromagnético em um TI prevê permitir que vários fenômenos proeminentes surjam, como o efeito magnetoelétrico interfacial e o monopolo magnético de imagem induzido por campo elétrico.

Magnetismo Induzido em Outros Materiais 2D

Além do grafeno e TIs, magnetismo induzido por defeitos intrínsecos e dopantes em outros materiais 2D também foi investigado, incluindo fosforeno, siliceno, GaSe, GaN, ZnO, etc. Resultados de cálculos de primeiros princípios mostraram que uma interação entre lacuna e tensão externa pode dar origem a magnetismo no fosforeno. Quando uma tensão está na direção zigzag do fosforeno e lacunas de P atingem 4%, o sistema exibe um estado polarizado em spin com momento magnético de ~1 μ_B por sítio de lacuna. Cálculos de primeiros princípios também previram que dopagem de lacunas 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 portador. No entanto, a maioria dessas investigações se limita a cálculos teóricos. Estudos adicionais, particularmente trabalho experimental, são necessários para entender os comportamentos magnéticos e explorar semicondutor ferromagnético 2D robusto em temperatura ambiente para aplicações práticas.

Ímãs 2D Intrínsecos

Recentemente, outro membro da família 2D vdW, o ímã 2D, foi obtido experimentalmente. Este avanço atraiu imediatamente ampla atenção para explorar o campo do magnetismo 2D. O grupo de Xu relatou pela primeira vez que CrI₃ até a monocamada exibe ferromagnetismo Ising com forte anisotropia magnética fora do plano pela técnica de efeito Kerr magneto-óptico polar (MOKE). Além disso, CrI₃ exibe uma fase magnética dependente de camada, onde monocamada e tricamada de CrI₃ são ferromagnéticas enquanto a bicamada é antiferromagnética. Gong et al. relataram outro material 2D, Cr₂Ge₂Te₆, que tem ordem ferromagnética intrínseca de longo alcance em camadas atômicas. Diferente de CrI₃, Cr₂Ge₂Te₆ é relatado como um ferromagneto Heisenberg 2D com pequena anisotropia magnética. A temperatura de transição ferromagnética de Cr₂Ge₂Te₆ está relacionada ao número de camadas. Outro ferromagneto 2D popular é Fe₃GeTe₂, que é um metal ferromagnético vdW composto por Fe/FeGe/Fe em camadas, intercalado entre duas camadas de átomos de Te. O efeito Hall anômalo foi usado para estudar o magnetismo de Fe₃GeTe₂, e os resultados mostram que Fe₃GeTe₂ tem forte anisotropia magnética com direção de magnetização fácil paralela ao eixo c e temperatura de Curie de 230 K. No entanto, a temperatura de Curie desses materiais é menor que a temperatura ambiente, o que é um grande obstáculo para aplicação de dispositivos. Pesquisadores prepararam monocamadas ferromagnéticas 1T-VSe₂ em temperatura ambiente por epitaxia de feixe molecular (MBE). O recentemente relatado 1T-CrTe₂ de poucas camadas exibiu temperatura de Curie tão alta quanto 316 K, o que fornece a possibilidade para aplicação de dispositivos espintrônicos 2D no futuro. Além de materiais ferromagnéticos 2D, materiais antiferromagnéticos 2D são amplamente relatados, como FePS₃, MnPS₃ e CrCl₃. Mais surpreendentemente, a equipe de Zhang Yuanbo relatou recentemente QAHE induzido por campo magnético em um isolante topológico magnético intrínseco MnBi₂Te₄. MnBi₂Te₄ é um antiferromagneto com ferromagnetismo intralamelar e antiferromagnetismo interlamelar. Ao sondar transporte quântico, uma quantização exata do efeito Hall anômalo em um floco pristino de cinco camadas de MnBi₂Te₄ foi observada a um campo magnético moderado acima de μ₀H ~ 6 T a baixa temperatura.

Funcionalidades Elementares de Operações de Dispositivos Espintrônicos 2D

Desenvolvimentos recentes em materiais 2D emergentes e algumas técnicas avançadas de caracterização permitiram que o campo da espintrônica 2D se desenvolvesse rapidamente. As questões-chave para a realização de dispositivos espintrônicos incluem conversão spin-carga, transporte de spin e manipulação de spin. A geração e detecção eficiente de corrente de spin é o maior desafio para desenvolver dispositivos espintrônicos 2D que substituam os elétricos. O transporte de spin deseja um canal de transporte adequado com longo tempo de vida de spin e longa propagação de spin de longa distância. A manipulação de spin é necessária para controlar a corrente de spin e alcançar a funcionalidade do dispositivo.

Conversão Spin-Carga

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

As medições "não local" e "local" são comumente utilizadas para realizar injeção/detecção elétrica de spin em um material de canal. Para medição não local, 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 pura difundida. 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. A diferença de tensão entre os alinhamentos de magnetização paralelos e antiparalelos dos eletrodos E2 e E3 é considerada como o sinal de transporte de spin.

Hill et al. relataram pela primeira vez a injeção de spin no grafeno usando eletrodos de NiFe magnético suave. No entanto, a eficiência de injeção de spin é estimada como relativamente baixa, cerca de 10%, o que pode ser atribuído à incompatibilidade de condutância entre metal ferromagnético e grafeno. Então, alguns pesquisadores propuseram usar uma barreira isolante como Al₂O₃ ou MgO como uma camada para ajustar a resistividade interfacial dependente de spin e aumentar a eficiência de injeção de spin, mas cultivar 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 interfacial de óxido, como uma camada de TiO₂ ou HfO₂. No entanto, a resistividade interfacial dependente de spin ainda é o problema fundamental, que leva a uma baixa eficiência de injeção de spin. Um material isolante 2D, nitreto de boro hexagonal (h-BN), tem uma estrutura cristalina semelhante à do grafeno. Estudos teóricos e experimentais mostraram que usar h-BN como barreira de túnel pode produzir uma interface de alta qualidade e melhorar muito a eficiência de injeção de spin do grafeno. Poucas camadas de h-BN exibem melhor desempenho de injeção de spin que monocamada de h-BN. No entanto, esses resultados de pesquisa ainda deixam uma grande lacuna a ser preenchida antes que a aplicação prática seja possível. Em última análise, para alcançar injeção de spin perfeita (100%), muita pesquisa é necessária, e 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 alcançar conversão spin-carga. Embora o grafeno intrínseco tenha um SOC bastante fraco, ele pode alcançar conversão spin-carga eficiente usando o forte SOC de material adjacente via efeito de proximidade. Como mostrado, quando o grafeno é adjacente ao isolante ferromagnético YIG, a corrente de spin é gerada na camada YIG via bombeamento de spin, então convertida em corrente de carga no grafeno pelo efeito Edelstein inverso. A tensão de bombeamento de spin pode ser detectada 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 tensão de bombeamento de spin. Além disso, um gate de líquido iônico aplicado na superfície do grafeno pode modular obviamente as propriedades do grafeno para mudar a eficiência de conversão spin-carga de YIG/grafeno.

Diferente do grafeno, TMDCs com forte SOC são considerados materiais promissores para alcançar conversão spin-carga. Um grande torque spin-órbita (SOT) em estrutura de bicamada monocamada TMDC (MoS₂ ou WSe₂)/CoFeB foi gerado via acúmulo de spin induzido por corrente causado pelo efeito Rashba-Edelstein. O torque tipo campo e torque tipo amortecimento foram determinados via medição de segunda harmônica, e os resultados mostram que 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 a conversão spin-carga em TMDCs. Por exemplo, um resultado interessante de ST-FMR mostra que o SOT pode ser controlado através da simetria de cristal de WTe₂ em bicamadas WTe₂/Permalloy. Quando a corrente é aplicada ao longo do eixo de baixa simetria de WTe₂, um torque anti-amortecimento fora do plano pode ser gerado. A propriedade de travamento spin-momento em estados de superfície de TI é útil para alcançar injeção de corrente de spin em materiais adjacentes via SOT. Devido à forte correlação entre a direção de polarização de spin e direção de corrente de carga, a direção de spin pode ser manipulada pela corrente de carga nos TIs. Diferentes técnicas de medição têm sido usadas para investigar a conversão spin-carga, incluindo medição de segunda harmônica, 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 de Spin

A chave para o transporte de spin é obter um canal de transporte de spin favorável com longo comprimento de difusão de spin e tempo de relaxamento de spin. O relaxamento de spin é causado por espalhamento de momento, então o grafeno com SOC fraco é considerado um material ideal para transporte de spin. Tombros et al. realizaram transporte eletrônico de spin e precessão de spin em uma válvula de spin lateral de grafeno único a temperatura ambiente por medição não local em 2007. O sinal de medição mostra que se os eletrodos ferromagnéticos para injeção e detecção de spin têm magnetizações paralelas, a resistência não local medida pelos contatos 1 e 2 tem valor positivo. Se os eletrodos ferromagnéticos para injeção e detecção de spin têm magnetizações antiparalelas, então a resistência não local mostra valor negativo. A precessão de spin Hanle pode ser usada para determinar comprimento de difusão de spin e tempo de vida de spin. O tempo de vida de spin (τ_sf) e comprimento de relaxamento de spin (λ_sf) são 125 ps e 1,3 μm, respectivamente, em uma válvula de spin lateral de grafeno único a temperatura ambiente. Além disso, o gate pode ser usado para aumentar o comprimento de relaxamento de spin e vida de spin. A teoria previu que o tempo de vida de spin no grafeno puro pode atingir 1 μs, enquanto os valores experimentais relatados variam de picossegundos a alguns nanossegundos.

Muitos métodos melhorados são usados para aumentar o comprimento de difusão de spin e vida de spin, e alguns dispositivos já exibem longos comprimentos de difusão de spin na faixa de micrômetros. Por exemplo, grafeno cultivado epitaxialmente em SiC tem alta mobilidade, exibindo eficiência de transporte de spin até 75% e comprimento de difusão de spin excedendo 100 µm. A heteroestrutura h-BN/grafeno/h-BN exibe desempenho de transporte de spin de longa distância, onde o comprimento de difusão de spin pode atingir 30,5 μm a temperatura ambiente. O transporte de spin em materiais 2D pode ser afetado por difusão/deriva, que pode ser modulado aplicando um campo elétrico. Ingla-Aynés et al. relataram um comprimento de relaxamento de spin até 90 μm em grafeno bicamada encapsulado em h-BN usando deriva de portadores. No entanto, o SOC fraco e gap zero no grafeno intrínseco restringem suas perspectivas para dispositivos de spin semicondutores. Fosforeno preto tem um gap de banda direto considerável e mobilidade a temperatura ambiente de 1000 cm² V⁻¹ s⁻¹, o que o torna um material espintrônico semicondutor ideal. Avsar et al. construíram uma válvula de spin lateral baseada em uma folha ultrafina de fosforeno preto e mediram suas propriedades de transporte de spin a temperatura ambiente via geometria não local. O transporte eletrônico de spin mostra que à medida que as direções de magnetização dos ferromagnetos comutam, a resistência não local tem uma mudança de ΔR ≈ 15Ω. Além disso, a precessão de spin Hanle mostra tempos de relaxamento de spin até 4 ns e comprimentos de relaxamento de spin excedendo 6 µm. O transporte de spin no fosforeno preto está intimamente relacionado à concentração de portadores de carga, então o sinal de spin pode ser controlado aplicando um campo elétrico.

Manipulação de Spin

Realizar a manipulação de spin é a chave para a funcionalização eficaz do dispositivo. Aplicar uma tensão de gate pode controlar a concentração de portadores no material, que pode ser usada para manipular os sinais de spin. Vários materiais 2D como canais de transporte de spin foram investigados para realizar o ajuste de parâmetros de transporte de spin via aplicação de tensão de gate. Por exemplo, grafeno polarizado pode obter polarização de injeção e detecção de spin até 100% em heteroestrutura ferromagnetismo/bicamada h-BN/grafeno/h-BN. Uma válvula de spin ajustável por gate baseada em fosforeno preto pode atingir um tempo de relaxamento de spin na faixa de nanossegundos e um longo comprimento de relaxamento de spin. Para um canal MoS₂ semicondutor, aplicar uma tensão de gate ainda pode obter um comprimento de difusão de spin relativamente longo, maior que 200 nm. No entanto, um dispositivo de efeito de campo de spin adequado requer uma razão de comutação clara, o que é um desafio para o grafeno e até para materiais 2D semicondutores.

Para resolver este problema, uma heteroestrutura vdW baseada em grafeno atômicamente fino e MoS₂ semicondutor foi desenvolvida para alcançar uma chave de efeito de campo de spin via aplicação de tensão de gate. Nesta estrutura, as propriedades superiores de transporte de spin do grafeno e o forte SOC do MoS₂ são combinados. A tensão de gate aplicada pode mudar a condutividade do MoS₂ e absorção de spin durante o transporte de spin, o que resulta na comutação da corrente de spin entre estados ON e OFF no canal de grafeno. Outro esforço de pesquisa produziu um relatório similar sobre a heteroestrutura vdW grafeno/MoS₂. Neste relatório, um controle elétrico de gate da corrente de spin e tempo de vida de spin na heteroestrutura grafeno/MoS₂ foi alcançado a temperatura ambiente. Além disso, esse relatório apontou que o mecanismo de parâmetros de spin ajustáveis por gate decorre do ajuste de gate da barreira de Schottky na interface MoS₂/grafeno e condutividade do canal MoS₂.

SOT induzido por corrente é considerado outra estratégia eficiente para manipular spin. A corrente de spin, gerada pelo efeito Hall de spin dentro de metais pesados ou pelo efeito Rashba nas interfaces, pode exercer um torque de spin em ferromagnetos e assim realizar comutação de magnetização. Comutação de magnetização induzida por corrente eficiente via SOT pode levar a aplicações espintrônicas inovadoras. Devido ao forte SOC e quebra de simetria de inversão temporal, TIs dopados magneticamente estão sendo considerados como material promissor para manipular sinais de spin via SOT. O grupo de Wang demonstrou experimentalmente pela primeira vez uma comutação de magnetização induzida por uma corrente no plano em uma bicamada de TI dopada com Cr epitaxial (Bi_0.5Sb_0.5)₂Te₃/(Cr_0.08Bi_0.54Sb_0.38)₂Te₃. O ângulo Hall de spin no filme de TI dopado com Cr, variando de 140 a 425, é quase três ordens de magnitude maior que o de heteroestruturas metal pesado/ferromagnético, e a densidade crítica de corrente de comutação é abaixo de 8,9 × 10⁴ A cm⁻² a 1,9 K. Além disso, esta equipe também relatou um controle eficaz de campo elétrico de SOT em um filme fino de (Bi_0.5Sb_0.42)₂Te₃ dopado com Cr epitaxialmente cultivado em substrato GaAs. O efeito do gate na comutação de magnetização foi investigado varrendo a tensão de gate sob uma corrente constante e um campo magnético aplicado no plano no filme. A intensidade do SOT depende fortemente da corrente de superfície polarizada em spin no filme fino, e pode ser modulada dentro de uma faixa adequada de tensão de gate. O controle eficaz de campo elétrico de SOT em estruturas magnéticas baseadas em TI tem aplicações potenciais em memória magnética e dispositivos lógicos.

Além disso, controle elétrico de ímãs 2D emergentes também foi investigado. Por exemplo, utilizando campos elétricos ou dopagem eletrostática pode alcançar a conversão magnética de bicamada CrI₃ antiferromagnética para ferromagnética. A coercividade e campo de saturação de poucas camadas de Cr₂Ge₂Te₆ podem ser modulados via gate de líquido iônico. Em contraste a semicondutor magnético, dopagem eletrostática pode ser usada para controlar as concentrações de portadores do metal ferromagnético, e a temperatura de transição ferromagnética de Fe₃GeTe₂ pode ser dramaticamente elevada à temperatura ambiente via gate iônico. O surgimento e pesquisa de ímãs 2D fornecem uma nova plataforma para engenharia de dispositivos espintrônicos 2D de próxima geração.

Aplicações da Espintrônica 2D

Materiais 2D exibem grande potencial para a engenharia de dispositivos espintrônicos 2D de próxima geração. Grafeno com alta mobilidade de elétrons/lacunas, longos tempos de vida de spin e longos comprimentos de difusão é um candidato promissor para um canal de spin. Além disso, o grafeno pode ganhar magnetismo introduzindo adátomos ou efeito de proximidade magnética. A densidade de portadores em grafeno ferromagnético induzido por proximidade pode ser modulada por gate, permitindo observar a dependência da energia de Fermi da condutividade do efeito Hall anômalo. Este resultado pode ajudar a entender a origem física do efeito Hall anômalo em sistemas de férmions de Dirac 2D. Realizar um estado de superfície ferromagnético em um TI prevê permitir que vários fenômenos proeminentes surjam, como o efeito magnetoelétrico interfacial e o monopolo magnético de imagem induzido por campo elétrico. No entanto, a tecnologia atual de induzir magnetismo em TI está confinada a baixas temperaturas, o que restringe seu potencial para aplicações. Um requisito chave para aplicações úteis é a geração de ferromagnetismo em temperatura ambiente no TI. O resultado PNR mostra que a bicamada Bi₂Se₃/EuS tem uma ordem ferromagnética na interface, e esse ferromagnetismo interfacial topologicamente aprimorado pode persistir até a temperatura ambiente. A resposta magnetoelétrica topológica em tal TI engenhado poderia permitir manipulação eficiente da dinâmica de magnetização por um campo elétrico, fornecendo um mecanismo de controle topológico energeticamente eficiente para futuras tecnologias baseadas em spin.

Os efeitos STT e magnetorresistência de túnel (TMR) oferecem abordagens alternativas para operações de escrita e leitura. O efeito STT refere-se à reorientação da magnetização de materiais ferromagnéticos via transferência de momentos angulares de spin. Comutação de magnetização induzida por corrente eficiente via SOT pode levar a aplicações espintrônicas inovadoras. Devido ao forte SOC e quebra de simetria de inversão temporal, TIs dopados magneticamente são considerados material promissor para manipular sinais de spin via SOT. TMR refere-se ao comportamento magnetorresistivo dependente de magnetização. Uma alta razão TMR é a chave para alcançar dispositivos espintrônicos com maior sensibilidade e menor consumo de energia. Materiais 2D com cristal de alta qualidade e interfaces nítidas podem alcançar algumas novas funcionalidades como filtragem de spin. A MTJ 2D vdW consiste em uma camada magnética 2D CrI₃ como barreira de túnel de filtragem de spin, que atinge um valor de TMR até 19.000%. O progresso na fabricação de heteroestruturas baseadas em grafeno e outros 2D levou à otimização de difusão de spin de longa distância (até dezenas de micrômetros), bem como guiamento direcional da corrente de spin. Manipulação de spin, gate elétrico, deriva induzida por campo elétrico, comutação induzida por SOT e efeito de proximidade magnética foram explorados para desenvolver MRAM de próxima geração.

Dispositivos Espintrônicos 2D para Armazenamento de Memória e Aplicações Lógicas

Grandes esforços têm sido feitos para buscar novos dispositivos espintrônicos 2D. De acordo com a função, dispositivos espintrônicos 2D podem ser classificados como dispositivos de armazenamento de memória ou lógicos. Aqui nos focamos em vários dispositivos espintrônicos 2D importantes, incluindo junção de túnel magnética 2D (MTJ), transistor de efeito de campo de spin 2D (sFET) e porta lógica de spin 2D.

MTJ 2D

A descoberta do GMR abre a porta para a espintrônica 2D. No entanto, TMR tem uma razão de magnetorresistência mais forte que GMR, então TMR tem maior potencial em aplicações de armazenamento magnético. A estrutura TMR consiste em duas camadas ferromagnéticas e uma camada isolante intermediária, chamada MTJ. A probabilidade de túnel está relacionada à densidade de estados perto da energia de Fermi nas camadas ferromagnéticas. Quando as duas camadas magnéticas são paralelas, a densidade de estados similar para cada estado de spin pode fornecer mais estados disponíveis para túnel, resultando em um estado de baixa resistência. Por outro lado, quando as camadas são antiparalelas, um descompasso entre canais de spin da fonte e do sumidouro resultará em um estado de alta resistência. Algumas questões em MTJs de filme fino tradicionais limitam a conquista de uma alta razão TMR, como a qualidade da barreira de isolamento e a estabilidade térmica. Materiais 2D com cristal de alta qualidade e interfaces nítidas podem oferecer rotas promissoras para resolver essas questões e até alcançar algumas novas funcionalidades como filtragem de spin.

Karpan et al. exploraram pela primeira vez camadas de grafeno como barreira em MTJ vertical por meios computacionais em 2007. Eles propuseram uma correspondência entre a estrutura de banda do grafeno e a do níquel, prevendo uma grande polarização de spin próxima a 100%, que pode resultar em um grande TMR até 500%. No entanto, resultados experimentais subsequentes mostram que MTJs baseados em grafeno exibem um TMR muito baixo. Comparado a monocamada ou bicamada de grafeno, o MTJ de poucas camadas mantém o sinal TMR mais alto registrado de até 31% em MTJs baseados em grafeno. Além do grafeno, alguns outros materiais 2D foram explorados como camadas de barreira de túnel, incluindo h-BN isolante e TMDCs semicondutores. Piquemal-Banci et al. fabricaram junções Fe/h-BN/Co onde a monocamada h-BN foi cultivada diretamente em Fe usando o método de deposição química de vapor (CVD), observando grandes sinais de spin de TMR e polarização de spin de P ~ 17%. MTJs baseados em MoS₂ ou WSe₂ foram relatados como tendo apenas alguns por cento de sinal TMR; exploração adicional é necessária para alcançar uma alta razão TMR.

Materiais magnéticos 2D emergentes exibem muitas propriedades surpreendentes. Quando as magnetizações em bicamada CrI₃ são comutadas para diferentes configurações magnéticas, a MTJ baseada em CrI₃ exibe um TMR gigante produzido pelo efeito de filtragem de spin. A MTJ 2D vdW consiste em uma camada magnética 2D CrI₃ como barreira de túnel de filtragem de spin, grafeno como eletrodo de contato e h-BN como camada de encapsulamento para prevenir degradação do dispositivo. O resultado de transporte mostra que o TMR é aprimorado à medida que a espessura da camada CrI₃ aumenta, e atinge um valor de 19.000% em MTJ baseada em CrI₃ de quatro camadas a baixa temperatura. Subsequentemente, o grupo de Xu também relatou TMR ajustável por gate em uma estrutura MTJ com gate duplo baseada em CrI₃ de quatro camadas. O TMR pode ser modulado de 17.000 a 57.000% variando as tensões de gate em um campo magnético fixo. Além disso, com Fe₃GeTe₂ de poucas camadas servindo como eletrodos ferromagnéticos, o TMR em heteroestruturas Fe₃GeTe₂/h-BN/Fe₃GeTe₂ pode atingir 160% a baixa temperatura. Mais interessantemente, Zhou et al. relataram uma investigação teórica de uma heterojunção VSe₂/MoS₂/VSe₂, onde a monocamada VSe₂ atua como ferromagneto em temperatura ambiente, e o grande TMR pode atingir 846% a 300 K. Por outro lado, a forte condutividade Hall de spin de MoS₂ tem potencial para comutar a magnetização da camada livre VSe₂ por SOT. Portanto, eles apresentaram o conceito de MTJ vdW SOT com operações de leitura e escrita mais rápidas, que oferece novas oportunidades para dispositivos espintrônicos 2D.

sFET 2D

Datta e Das propuseram pela primeira vez a ideia do sFET em 1990. O sFET consiste nos eletrodos ferromagnéticos de fonte e sumidouro, e um canal de gás eletrônico bidimensional (2DEG) que pode ser controlado por um gate elétrico. A tensão de gate pode resultar em uma precessão de spin e, consequentemente, uma mudança na polarização de spin da corrente no canal. Como a comutação da corrente através do dispositivo requer apenas pouca energia e um curto tempo, espera-se que o sFET seja um dispositivo espintrônico 2D com baixo consumo de energia e alta velocidade de computação.

Como mencionado na seção anterior, o grafeno com alta concentração de portadores e SOC fraco é considerado um candidato promissor como canal de transporte de spin. Michetti et al. projetaram uma estrutura de transistor de efeito de campo de gate duplo, onde o grafeno bicamada atua como canal de transporte. Análise teórica mostra que a precessão de spin dos portadores no canal de grafeno pode ser ligada e desligada pela aplicação de uma tensão diferencial de gate. Experimentalmente, Avsar et al. relataram pela primeira vez uma estrutura de grafeno bicamada com gate duplo com h-BN como camada dielétrica, onde a propagação de corrente de spin no canal de grafeno bicamada pode ser controlada exercendo um campo elétrico vertical. Os resultados de transporte mostram que o tempo de relaxamento de spin diminui monotonicamente à medida que a concentração de portadores aumenta, e o sinal de spin exibe uma diminuição rápida, eventualmente se tornando indetectável próximo ao ponto de neutralidade de carga. Um dispositivo de efeito de campo de spin adequado requer uma razão de comutação clara, o que é um desafio para o grafeno.

Para resolver este problema, uma heteroestrutura grafeno/MoS₂ foi desenvolvida para alcançar uma chave de efeito de campo de spin via aplicação de tensão de gate. Dois grupos independentes demonstraram que a tensão de gate aplicada pode mudar a condutividade do MoS₂ e resultar em absorção de spin durante o transporte de spin, o que dá origem à comutação da corrente de spin entre estados ON e OFF no canal de grafeno. Devido à baixa eficiência de injeção de spin e relaxamento rápido de spin em canais, é um desafio alcançar uma grande razão de condutância alto-baixo em dispositivo sFET 2D. No entanto, a descoberta de cristais magnéticos 2D fornece novas oportunidades para explorar novos dispositivos espintrônicos 2D. O grupo de Kin Fai Mak relatou um transistor de efeito de campo de túnel de spin (sTFET) baseado em uma heteroestrutura grafeno/CrI₃/grafeno com gate duplo. Usando bicamada CrI₃ como barreira de túnel magnética, a tensão de gate aplicada pode comutar configurações de magnetização de bicamada CrI₃ de antiferromagnética intercamada para estados ferromagnéticos sob um campo magnético constante próximo à transição de inversão de spin. Diferente de transistores de spin convencionais, esses dispositivos dependem do controle elétrico da comutação de configuração de magnetização em vez do sinal de corrente de spin no canal. Esta técnica permite que dispositivos sTFET alcancem uma grande razão de condutância alto-baixo aproximando-se de 400%, o que fornece uma nova abordagem para explorar aplicações de memória.

Porta Lógica de Spin 2D

Dery e Sham relataram pela primeira vez um dispositivo lógico de spin baseado em uma porta "ou exclusivo" (XOR). A estrutura da porta lógica XOR inclui um canal semicondutor e três terminais ferromagnéticos. Uma operação lógica XOR pode ser implementada por diferentes acúmulos de spin, causados por diferentes configurações de magnetização dos terminais de entrada. Experimentalmente, a porta lógica XOR de três terminais proposta alcançou operações lógicas em um dispositivo espintrônico de grafeno a temperatura ambiente. O dispositivo inclui grafeno monocamada como canal, e três terminais ferromagnéticos compostos de eletrodos A, B e M de Co com barreiras de túnel MgO. A magnetização dos eletrodos A e B representa os estados de entrada 0 ou 1, e a corrente do eletrodo M atua como estado de saída. As magnetizações dos eletrodos de entrada A e B serão comutadas variando um campo magnético externo aplicado, o que resulta em um acúmulo de spin diferente no eletrodo M, correspondendo a uma corrente de saída diferente. Se os eletrodos de entrada A e B tiverem contribuições idênticas para o eletrodo de saída M, então a corrente no terminal ferromagnético de saída tem um valor detectável apenas quando as magnetizações dos terminais ferromagnéticos de entrada são antiparalelos (01 ou 10). Quando as magnetizações dos terminais ferromagnéticos de entrada são paralelos (00 ou 11), a corrente de saída é quase zero. Portanto, a operação lógica XOR pode ser alcançada.

Dery et al. projetaram ainda uma porta magnetológica reconfigurável com estrutura de cinco terminais combinando duas portas XOR - XOR (A, X) e XOR (B, Y) com um terminal de saída compartilhado, M. Similar à porta lógica XOR de três terminais, as diferentes configurações magnéticas dos eletrodos de entrada dão origem a diferentes acúmulos de spin no terminal de saída M, o que resulta em diferentes sinais de saída. Por analogia, um número finito dessas portas XOR pode ser usado para implementar qualquer função lógica binária. Subsequentemente, outros grupos estenderam este design teórico para estudos experimentais construindo portas lógicas de spin de grafeno. Várias explorações de modelagem, simulação e experimentais de portas lógicas de spin 2D ajudaram a acelerar o progresso rumo à construção de aplicações lógicas de spin práticas. No entanto, duas questões-chave permanecem na pesquisa de portas lógicas de spin de grafeno. A primeira é equilibrar as contribuições de dois terminais de entrada para o de saída. A outra é eliminar a influência de sinais de fundo na saída.

Desafios e Oportunidades na Espintrônica 2D

Como discutido acima, muita pesquisa teórica e experimental foi realizada para explorar a espintrônica baseada em materiais 2D, e progresso considerável foi alcançado. No entanto, grandes desafios ainda precisam ser abordados para a aplicação prática de aplicações de memória e lógica 2D. Agora discutimos três destes: mecanismos físicos, ciência de materiais e engenharia de dispositivos.

Mecanismos Físicos

Devido à complexidade dos experimentos, a pesquisa teórica proposta e resultados experimentais geralmente têm grandes discrepâncias. Por exemplo, baseado no mecanismo de relaxamento de spin, a teoria previu que o tempo de vida de spin para grafeno puro seria de até 1 μs, enquanto valores experimentais variam de dezenas de picossegundos a alguns nanossegundos. Além disso, a eficiência de injeção de spin do grafeno medida experimentalmente varia de alguns por cento a 10%, o que é muito menor que o valor de previsão teórica de 60-80%. Estas diferenças indicam que mecanismos físicos mais profundos e modelos teóricos precisos precisam ser propostos e desenvolvidos para melhor guiar a direção da pesquisa e analisar resultados experimentais.

Ciência de Materiais

Materiais 2D fornecem uma plataforma ideal para construir várias heteroestruturas para aplicações espintrônicas. No entanto, ainda há muitos problemas principais em materiais 2D. Por exemplo, estabilidade é um grande desafio para materiais 2D. A maioria dos materiais 2D de espessura próxima ao nível atômico é suscetível a umidade, oxidação e temperatura, especialmente os materiais magnéticos 2D recentemente emergentes, que devem ser descascados em uma luva com teor ultra-baixo de água e oxigênio. Além disso, a maioria dos ímãs 2D atualmente disponíveis depende de esfoliação mecânica, e sua baixa temperatura de transição magnética está muito abaixo da temperatura ambiente. Estas são limitações significativas porque estabilidade no ar, síntese conveniente em escala de wafer e operação acima da temperatura ambiente são pré-requisitos para materiais 2D usados em aplicações práticas.

Engenharia de Dispositivos

Avanços foram feitos no estudo fundamental da espintrônica 2D, como eficiência de injeção de spin aprimorada usando barreiras de túnel 2D h-BN, longo comprimento de difusão de spin até 30 μm a temperatura ambiente em heteroestruturas 2D baseadas em grafeno, e alto TMR até 19.000% usando ímãs 2D como barreiras de filtragem de spin. Baseado no estudo de dispositivos espintrônicos 2D, é promissor desenvolver aplicações de dispositivos de baixa potência, incluindo memórias magnéticas avançadas e circuitos lógicos de spin, que são compatíveis com a eletrônica complementar de semicondutor de óxido metálico (CMOS) existente. No entanto, o design e aplicação de dispositivos espintrônicos 2D funcionais ainda estão no estágio inicial de previsão teórica e prova de conceito.

Oportunidades

A espintrônica 2D é um importante campo de pesquisa científica com muitas aplicações potenciais para tecnologias futuras. Como mencionado acima, desafios consideráveis permanecem atualmente, mas também há muitas oportunidades. Válvulas de spin baseadas em grafeno como canal de transporte de spin podem exibir um longo comprimento de difusão de spin até 30 mm a temperatura ambiente. Junções de túnel magnético com CrI₃ de quatro camadas como barreiras de túnel de filtragem de spin mostram TMR gigante até 19.000% a baixas temperaturas. A temperatura de transição magnética de Fe₃GeTe₂ pode atingir acima da temperatura ambiente via gate de líquido iônico ou quando adaptada por um TI. Corrente polarizada em spin pode ser injetada de WTe₂ em substratos magnéticos por comutação SOT. Novos conceitos de transistores de efeito de campo de túnel de spin baseados em ímãs 2D CrI₃ foram propostos. A demonstração de TMR gigante, o controle eficiente de voltagem do magnetismo 2D e a comutação de magnetização em ímãs 2D por STT ou SOT abrem oportunidades para potenciais dispositivos espintrônicos de próxima geração baseados em cristais vdW atômicamente finos.

Conclusão

O estudo sobre as propriedades magnéticas de materiais 2D é de grande significado para o desenvolvimento da espintrônica 2D. A interação magnética no grafeno e TIs foi pouco explorada, e ímãs 2D recentemente descobertos também fornecem uma plataforma ideal para estudar o magnetismo 2D. Grande progresso foi feito na espintrônica 2D nas últimas décadas, especialmente na espintrônica de grafeno. No entanto, a origem do relaxamento de spin no grafeno ainda é uma grande questão em aberto, e a melhoria adicional no tempo de vida de spin e comprimento de difusão de spin permanece uma direção de pesquisa importante para dispositivos espintrônicos baseados em grafeno. A aplicação prática de dispositivos espintrônicos 2D ainda requer enfrentar grandes desafios, incluindo mecanismos físicos relacionados, ciência de materiais e engenharia de dispositivos. O desenvolvimento de tecnologia, a melhoria de modelos teóricos e a exploração de novos materiais fornecem mais oportunidades para aplicações de dispositivos espintrônicos 2D de nova geração no futuro.

Disponibilidade de dados e materiais

Não aplicável.

Abreviações

2D:

Bidimensional

GMR:

Efeito de magnetorresistência gigante

STT-MRAM:

Memória de acesso aleatório magnetorresistiva de torque de transferência de spin

vdW:

Van der Waals

SOC:

Acoplamento spin-órbita

TMDCs:

Dicalcogenetos de metais de transição

TIs:

Isolantes topológicos

SQUID:

Dispositivo de interferência quântica supercondutor

YIG:

Granada de ferro e ítrio

QAHE:

Efeito Hall anômalo quântico

PNR:

Refletividade de nêutrons polarizados em spin

MOKE:

Efeito Kerr magneto-óptico

MBE:

Epitaxia de feixe molecular

h-BN:

Nitreto de boro hexagonal

SOT:

Torque spin-órbita

ST-FMR:

Ressonância ferromagnética de torque de spin

MTJ:

Junção de túnel magnética

sFET:

Transistor de efeito de campo de spin

TMR:

Magnetorresistência de túnel

CVD:

Deposição química de vapor

2DEG:

Gás eletrônico bidimensional

sTFET:

Transistor de efeito de campo de túnel de spin

XOR:

Ou exclusivo

CMOS:

Semicondutor complementar de óxido metálico