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科学家们发现了一种可以集成到自旋电子器件中的新型2D磁性材料

发布时间:2019-06-24 09:41:19 来源:

我们都熟悉电子在原子核周围拉伸并在分子和材料中形成化学键的图像。但鲜为人知的是电子具有另外的独特性质:自旋。很难进行类比,但人们可以粗略地将电子自旋描述为围绕其轴旋转的旋转陀螺。但更有趣的是,当电子自旋在材料中对齐时,这会导致众所周知的磁性现象。

技术领域最前沿的领域之一是自旋电子学,这是一项设计和制造设备的实验性工作 - 例如计算机和存储器 - 利用电子自旋而不仅仅是电荷的运动(我们称之为电子)当前)。但是这些应用需要具有新特性的新磁性材料。例如,如果在极薄的材料层中发生磁性将是一个巨大的优势 - 所谓的二维(2D)材料包括石墨烯,石墨烯基本上是原子厚的石墨层。

然而,寻找2D磁性材料具有挑战性。碘化铬(CrI3)最近揭示了许多有趣的性质,但它在环境条件下迅速降解,其绝缘性质对自旋电子学应用的方式没有多大帮助,其中大多数需要金属和空气稳定的磁性材料。

现在,EPFL的Andras Kis和Oleg Yazyev团队发现了一种新的金属和空气稳定的2D磁体:二硒化铂(PtSe2)。这一发现是由Kis实验室的博士后艾哈迈德·阿夫萨尔(Ahmet Avsar)发现的,他实际上正在研究其他事情。

为了解释PtSe2中磁性的发现,研究人员首先使用基于密度泛函理论的计算,这是一种模拟和研究具有许多电子的复杂系统结构的方法,如材料和纳米结构。理论分析表明,PtSe2的磁性是由其表面上的所谓“缺陷”引起的,这是原子排列的不规则性。“十多年前,我们发现了石墨烯缺陷的类似情况,但PtSe2对我们来说是一个惊喜,”Oleg Yazyev说。

研究人员利用强大的磁阻测量技术证实了材料中存在磁性。磁性是令人惊讶的,因为完全结晶的PtSe2应该是非磁性的。“这是第一次观察到这种2D材料中的缺陷引起的磁性,”Andras Kis说。“它将2D铁磁体的范围扩展为材料,否则将被大规模数据挖掘技术所忽视。”

去除或添加一层PtSe2足以改变跨越层的旋转对话的方式。更有希望的是,它的磁性,即使在同一层内,也可以通过在其表面上策略性地放置缺陷来进一步操纵 - 这一过程称为“缺陷工程”,可以通过照射材料来完成表面有电子或质子束。

“这种超薄金属磁铁可以集成到下一代自旋转移扭矩磁随机存取存储器[STT MRAM]设备中,”Ahmet Avsar说。“2D磁铁可以降低改变磁极性所需的临界电流,并有助于我们进一步小型化。这些是公司希望解决的主要挑战。”

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