将层状铁磁体Fe5GeTe2转化为未来自旋电子学| ARC未来低能电子技术卓越中心

第一作者陈成博士(RMIT)

本周发表的一项由rmit领导的国际合作，在一层铁磁铁中实现了创纪录的电子掺杂，引起了磁相变，对未来电子学具有重要意义

通过电压控制磁性(或自旋方向)对于开发未来低能高速纳米电子和自旋电子器件至关重要，如自旋轨道转矩器件和自旋场效应晶体管．

高电荷、掺杂诱导的层状铁磁体磁相变在反铁磁自旋电子器件中具有广阔的应用前景。

RMIT、新南威尔士大学、卧龙岗大学和FLEET合作伙伴高磁场实验室(中国)的研究人员首次证明了超高电子掺杂浓度(超过10²¹厘米³)可以在层状范德华(vdW)金属材料Fe中诱导₅GeTe₂通过质子插层，可以进一步引起磁基态由铁磁性向反铁磁性的转变。

舰队研究员郑国林博士(RMIT)

层状vdW磁性材料的出现加速了对新型vdW自旋电子器件的研究。

与流动铁磁体相比，反铁磁体(AFMs)作为这种未来自旋电子器件的基石具有独特的优势。它们对杂散磁场的鲁棒性使它们适合于存储设备，并且基于afm的自旋轨道转矩设备需要比铁磁体更低的电流密度。

然而，目前vdW流动反铁磁体仍然稀缺。

除了直接合成vdW反铁磁体外，另一种可能实现该功能的方法是在现有的vdW流动铁磁体中诱导磁相变。

“我们选择了新合成的vdW流动铁磁铁Fe₅GeTe₂(F5GT)”该研究的第一作者，FLEET研究员Cheng Tan博士(RMIT)说。

F5GT的晶体结构及初步表征

“我们之前对铁的经验_3.GeTe₂（自然的交流2018)使我们能够快速识别和评估材料的磁性，一些研究表明铁₅GeTe₂对局部原子排列和层间堆叠配置很敏感，这意味着可以通过掺杂在其中诱导相变，”Cheng说。

研究小组首先研究了铁的磁性₅GeTe₂通过电子传输测量得到不同厚度的纳米片。

然而，初始输运结果也表明，在铁的电子密度₅GeTe₂如预期的高，说明由于金属中存在电屏蔽效应，磁性难以被传统门电压调制:

“尽管Fe中的电荷密度很高₅GeTe₂，我们知道值得尝试通过质子门控来调整材料，就像我们之前在Fe中实现的那样_3.GeTe₂（物理评论快报2020)，因为质子可以很容易地渗透到层间并诱导大电荷掺杂，而不会破坏晶格结构，”合著者郑国林博士(也是RMIT的)说。

一个SP-FET晶体管，在固体质子导体(SPC)上有F5GT薄片-尺度= 10µm

像所有超越cmos的经典计算研究人员一样，该团队正在寻求构建一种改进形式的晶体管，这种开关为现代电子产品提供二进制骨干。

固体质子场效应晶体管(SP-FET)是一种基于质子插入(插入)来开关的晶体管。与传统的质子fet不同(它通过浸入液体来切换，被认为是传统电子和生物系统之间桥梁的有前途的候选者)。， SP-FET是固体的，因此适合在实际设备中使用

SP-FET已被证明在调谐厚金属材料方面非常强大(即，它可以诱导大的电荷掺杂水平)，这是很难通过传统的介电或离子液体门控技术调制的(因为金属中的电屏蔽效应)。

利用铁制备固体质子场效应晶体管(SP-FET)₅GeTe₂，该团队能够显著改变铁中的载流子密度₅GeTe₂改变它的磁性基态。进一步的密度泛函理论计算验证了实验结果。

Cheng说:“所有的样品都表明，铁磁态可以通过增加质子插层而逐渐被抑制，最后我们看到几个样品没有显示磁滞回线，这表明磁基态发生了变化，理论计算与实验结果一致。”

“在金属vdW铁磁体Fe中成功实现了AFM相₅GeTe₂纳米片构成了vdW反铁磁器件和在高温下工作的异质结构的重要一步，”合著者王兰教授(也是RMIT的)说。

“这再次证明了我们的质子门技术是电子传输实验中的强大武器，可能在其他领域也很好。”

团队负责人FLEET首席研究员A/ RMIT 100班洁净室的王兰教授

”范德华斯磁体铁的门控磁相变₅GeTe₂，于纳米快报2021年6月。(DOI: 10.1021 / acs.nanolett.1c01108)

以及来自澳大利亚研究理事会国家自然科学基金、国家重点研究发展计划、中央高校基本科研业务费专项资金、合肥科学中心协同创新计划、强磁场实验室(中国)资助。

自旋电子器件在澳大利亚研究委员会卓越中心FLEET的使能技术B中进行研究。未来低能耗电子技术中心(FLEET)汇集了100多名澳大利亚和国际专家，共同致力于开发新一代超低能耗电子产品。这些工作背后的动力是日益增长的计算能源的挑战，计算消耗了全球5-8%的电力，并且每十年翻一番。