原始磁性材料和鄰近感應(yīng)磁性材料中的自旋極化帶是未來設(shè)備的有前途的構(gòu)建模塊。從概念上講，新的存儲(chǔ)器、邏輯和神經(jīng)形態(tài)設(shè)備是基于原子級(jí)薄磁性材料以及通過電學(xué)和光學(xué)方法操縱其自旋極化帶而構(gòu)想出來的。剩下的一個(gè)關(guān)鍵問題是范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中磁耦合效應(yīng)的直接探測和優(yōu)化使用，這需要對(duì)原子薄磁性材料和器件進(jìn)行進(jìn)一步精細(xì)設(shè)計(jì)。在這里，我們報(bào)告了一種在反應(yīng)性反鐵磁材料 CrI
3上具有磁化單層石墨烯的自旋選擇性薄膜晶體管。石墨烯和CrI
3原子層之間的自旋相關(guān)雜化使得單層石墨烯中的自旋選擇性帶隙打開以及特定CrI
3層中磁化的電場控制成為可能。我們的第一性原理計(jì)算和運(yùn)輸數(shù)據(jù)的理論分析闡明了微觀工作原理。我們通過電氣手段對(duì)磁鄰近效應(yīng)進(jìn)行微妙的操縱，實(shí)現(xiàn)了可靠的記憶晶體管操作（即存儲(chǔ)器和邏輯器件組合操作）以及磁化石墨烯中朗道能級(jí)的自旋選擇性探針。
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圖1. CrI
3上石墨烯中的自旋相關(guān)帶雜交。a) 基于 1L-石墨烯/6L-CrI 3 /1L-石墨烯結(jié)構(gòu)的記憶晶體管示意圖。b) 我們的記憶晶體管的光學(xué)顯微鏡圖像。c) 隧道電阻作為所施加磁場的函數(shù)，在 CrI 3層中表現(xiàn)出自旋翻轉(zhuǎn)。d) DFT 計(jì)算的電荷密度差圖
，其中顏色圖顯示 (100) 平面上 Δρ 的平均值。藍(lán)色、棕色和灰色球體分別代表 Cr、I 和 C 原子。e) DFT 計(jì)算的自旋密度差，其中藍(lán)色和紅色分別表示多數(shù)和少數(shù)自旋密度。f) 計(jì)算得到的石墨烯/CrI 3異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶色散。紅點(diǎn)和藍(lán)點(diǎn)分別顯示具有向上和向下自旋的石墨烯投影組件。它們的點(diǎn)大小和顏色強(qiáng)度表示放大的投影比率。
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圖2. CrI 3上石墨烯的隧道傳輸和帶隙打開。a)不同V top值下隧道電流與V b的函數(shù)關(guān)系。插圖放大了虛線框標(biāo)記的隧道電流。b) V b = −0.3 V 時(shí)的傳輸曲線。 c) 計(jì)算出的傳輸曲線，由電子自旋分解。紅色和藍(lán)色曲線表示石墨烯隧道電流的上下自旋分量。綠色曲線顯示總隧道電流，對(duì)應(yīng)于 (a) 中的傳輸曲線。d,e) 憶阻器中通道的兩個(gè)能帶圖，對(duì)應(yīng)于 (b) 中標(biāo)記的兩個(gè)V頂部范圍（“I”和“II”）。隨著V top (d)的增加，t-Gr 變得更加n 摻雜，勢壘高度降低。當(dāng)我們進(jìn)一步增加V top (e)時(shí)，t-Gr 的費(fèi)米能??級(jí)接近帶隙能量。
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圖3. CrI 3上石墨烯中的自旋極化光致發(fā)光。d I /d V g映射為V top和磁場的函數(shù)，其中 a) V b = −0.2 V 和 b) V b = 0.2 V。d I /d V g映射中顯示了清晰的 LL 條紋，其中不同的 LL 斜率出現(xiàn)在兩個(gè)區(qū)域（區(qū)域 1 和區(qū)域 2）。區(qū)域 1 中的 LL 是在石墨烯的線性能帶色散中產(chǎn)生的，而區(qū)域 2 中的 LL 是由雜化的自旋選擇性能帶產(chǎn)生的。綠色垂直虛線上 LL 的斜率變化表明 t-Gr 中與 CrI 3雜交的帶在 t-Gr 中形成不同的 LL 形成。c) CrI 3上磁化石墨烯中的示意性LL 。黑色虛線描繪了 CrI 3上石墨烯的雜化自旋帶。紅色圓圈表示大量狄拉克色散中的 LL，而藍(lán)色圓圈表示具有非雜化線性色散的原始石墨烯中的 LL。
圖4. 自旋選擇性記憶晶體管。a)磁場為 0.7、0.8 和 0.9 T 的I - V頂部曲線，顯示了我們的自旋選擇性記憶晶體管中自旋翻轉(zhuǎn)的電控制。需要較高的V top才能用較低的磁場觸發(fā)自旋翻轉(zhuǎn)。b) 將閾值V top外推為磁場的函數(shù)，顯示出線性關(guān)系。c)不同V b下的I – V top曲線，表明自旋翻轉(zhuǎn)由V top主導(dǎo)。d）摻雜相關(guān)的層間交換相互作用的計(jì)算結(jié)果。凈相互作用J inter由不同層的 Cr 離子之間的相互作用之和給出。e）電荷轉(zhuǎn)移引起的反鐵磁層間耦合減少的示意圖。f) 通過V頂部脈沖實(shí)現(xiàn)可靠的記憶晶體管操作。寫入、讀取和擦除操作可以通過V 。
相關(guān)科研成果由韓國科學(xué)技術(shù)院Heejun Yang, Myung Joon Han和北京理工大學(xué)Shoujun Zheng等人于2024年發(fā)表在Advanced Materials（https://doi.org/10.1002/adma.202310291）上。原文：Spin-Selective Memtransistors with Magnetized Graphene
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202310291
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
