自旋電子學迎新成果，科學家在室溫下實現范德華異質結的自旋注入
當前，最新的芯片技術已經接近原子尺度，采用先前的物理規律，很難進一步地縮小器件尺寸。面對尺寸效應帶來的一系列問題，人們不得不從新材料和新物理中尋找突破口，以為下一代芯片做好準備。
(資料圖片)
想要在原子尺度研發芯片，就要從支撐芯片的材料開始，來探索新材料的物理性質。
其中，憑借在薄至單原子層（亞納米）尺度之下仍能保持出色物理特性的優勢，二維材料被視為下一代芯片的首選材料之一。而它真正地引起人們的廣泛關注，是在發現單層石墨烯的科學家被授予 2010 年諾貝爾物理獎之后。隨后十幾年間，學界相繼發現了其他二維材料，比如絕緣體、半導體、超導體和拓撲材料等。
由于范德華力的作用，當把不同的二維材料堆疊起來，就能形成一種異質結構---范德華（van der Waals）異質結，這種異質結也是一個研究新奇物理性質和概念驗證的絕佳平臺。
圖| 芯片發展時間表（來源：Nature communications）
直到最近幾年，人們才發現相比傳統磁材料，二維絕緣體 Cr2Ge2Te6、半導體（CrX3）和金屬 FexGeTe2（x=3-5）等二維磁性材料具有很多優勢。
比如，只需一個原子層就能形成鐵磁性，雙原子層卻能構成反鐵磁材料的 CrX3。而傳統金屬磁性材料由于其電屏蔽效應過強，導致很難實現柵極調控。
對于不少二維磁性材料來說，通過柵極調控不僅可以實現磁性的調控，還可以實現居里溫度的巨大改變。該類材料還能帶來近鄰效應、轉角堆疊等功能，故能提供較多的操控方式。
具體到應用場景上，二維金屬磁性材料可被用作磁性隧道結、斯格明子和自旋軌道扭矩存儲器器件，也能搭載在超快自旋電子學技術之中。
然而，目前大多數二維磁性材料的居里溫度很低，一些器件的電子操作必須在低溫下進行，這無疑給二維磁性材料的實際應用帶來了巨大的障礙。
基于此，瑞典查爾姆斯理工大學博士后趙兵和所在團隊開展了一項研究。期間，他們首次實現了室溫下范德華異質結的自旋注入、輸運和探測等動力學過程，并提出一種二維材料磁性或自旋紋理的全新探測方法，為自旋電子學領域帶來了一項重要成果。
其有望加速基于二維磁性材料的實際應用,比如基于自旋的存儲器、邏輯和神經形態計算體系結構的重要基本單元等。
圖 | 趙兵（來源：趙兵）
日前，相關論文以《一種具有范德瓦爾斯鐵磁體 Fe5GeTe2/ 石墨烯異質結構的室溫自旋閥》（A Room-Temperature Spin-Valve with van der Waals Ferromagnet Fe5GeTe2/Graphene Heterostructure）為題發表在 Advanced Materials 上[1]。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）
趙兵是第一作者，瑞典烏普薩拉大學比普拉布·薩業歐（Biplab Sanyal）教授和瑞典查爾姆斯理工大學薩羅伊 P.達什（Saroj P. Dash）教授擔任共同通訊作者。
研究中，考慮到金屬 FexGeTe2 會隨著 Fe 原子的富集濃度增加，其居里溫度也會進一步提高。因此，該課題組攜手合作者，合成了居里溫度高達室溫的 Fe5GeTe2。
進一步地，他們制作了 Fe5GeTe2/ 石墨烯異質結、以及橫向自旋閥器件。室溫之下的輸運測試證明，在一系列自旋閥操作中，該類器件具備較好的魯棒性，這為探測二維材料中磁性和多方向自旋極化提供了新思路。
同時，趙兵的合作者使用密度泛函理論，對 Fe5GeTe2/ 石墨烯異質結構的磁性加以研究，讓實驗結果得到了很好的支持。
（來源：Advanced Materials）
目前，基于對該類二維磁性材料的理解，課題組已經協同合作者，通過摻雜 Fe5GeTe2 得到一系列的二維磁性材料，在材料性質上涵蓋面內磁各向異性和垂直磁各向異性，在材料類型上則涵蓋鐵磁和反鐵磁等，物理背景比較豐富。基于這些材料，該團隊也將開展更深入的研究。
參考資料：
1.Zhao, B., Ngaloy, R., Ghosh, S., Ershadrad, S., Gupta, R., Ali, K., ... & Dash, S. P. (2023). Room Temperature Spin‐Valve with van der Waals Ferromagnet Fe5GeTe2/Graphene Heterostructure. Advanced Materials, 2209113.
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