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Mikrominiaturisierung: magnetischer Halbleiter mit zwei Atomen



Seit den ersten Handys, die bis zu einem Kilogramm wogen und eine halbe Stunde lang ohne Aufladen an der Stromversorgung arbeiteten, gab es in der Technologiewelt viele nützliche Verbesserungen, innovative Erfindungen und revolutionäre Entdeckungen. Mit der Zeit werden die Geräte, die wir fast täglich verwenden, kleiner, aber leistungsfähiger. Dieser Prozess wird unweigerlich zum Stillstand kommen, da klassische Transistoren nicht unbegrenzt abnehmen können, unabhängig davon, was die Entwickler neuer Smartphones oder Tablets benötigen. Daher müssen Sie die Klassiker aufgeben und etwas völlig Neues schaffen, das von Wissenschaftlern des Stevens Institute of Technology (USA) durchgeführt wurde. Heute schauen wir uns eine Studie an, in der sie einen atomar dünnen magnetischen Halbleiter beschreiben, der nicht nur eine Elektronenladung verwenden kann.aber auch sein Spin. Was bildete die Basis des neuen Halbleiters, wie wurde er geschaffen und wie produktiv ist diese revolutionäre Neuheit? Ein Bericht von Wissenschaftlern wird uns darüber berichten. Gehen.

Studienbasis


Spin ist der intrinsische Drehimpuls von Elementarteilchen. Die Spintronik wiederum ist ein Zweig der Quantenelektronik, der sich mit der Untersuchung des Spinstromtransfers in festen Materialien befasst. Mit anderen Worten, im Gegensatz zur klassischen Elektronik erfolgt in der Spintronik die Informationsübertragung über den Spinstrom.

Im Hinblick auf die Entwicklung neuer Geräte versuchen viele Wissenschaftler, die vollständige Kontrolle über spinpolarisierte Ladungsträger zu erlangen. Eine Option zur Erreichung dieses Ziels ist ein verdünnter magnetischer Halbleiter (DMS oder DMS aus verdünnten magnetischen Halbleitern)) Ein herkömmlicher magnetischer Halbleiter kombiniert die Eigenschaften von Ferromagneten und Halbleitern. Ein verdünnter (oder semimagnetischer Halbleiter) ist jedoch im Wesentlichen ein nichtmagnetischer Halbleiter, in den eine bestimmte Anzahl paramagnetischer Atome eingebettet ist. Das Legieren von Elementen von Übergangsmetallen wie Eisen (Fe) und Mangan (Mn) in nichtmagnetische Bulk-Halbleiter ermöglicht es beispielsweise, DMS zu erhalten.

Die Frage ist, dass diese DMS zwar hervorragende Ergebnisse zeigen, aber bei sehr spezifischen Temperaturen arbeiten. Beispielsweise wird der Curie-Punkt für einen verdünnten magnetischen Halbleiter (Ga, Mn) wie bei einer Dotierungskonzentration von 5% mit Mangan bei 110 K erreicht, d.h. bei -163,15 ° C. In diesem Zusammenhang versuchen Wissenschaftler, DMS dazu zu bringen, bei Raumtemperatur zu arbeiten, um ihre Vorteile außerhalb des Labors voll auszuschöpfen.

Die relativ junge Entdeckung des Ferromagnetismus in zweidimensionalen (2D) atomar dünnen Schichten wie CrI 3 ( Chromtriiodid ) und Cr 2 Ge 2 Te 6 (Chrom-Germaniumtellurid) hat den Forschungsschwerpunkt von Massenkristallen auf zweidimensionale Materialien verlagert.

MonoschichtenÜbergangsmetalldichalkogenide (DPM) * in Form atomar dünner Halbleiter weisen einzigartige elektrische und optische Eigenschaften auf, die direkt von der Dicke abhängen. PDM-Monoschichten bleiben jedoch in ihrer eigenen Form nicht magnetisch.
Übergangsmetalldichalkogenide (DPM) * sind dünne Monoschichthalbleiter, die aus einem Übergangsmetall und Chalkogen (Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur, Polonium oder Leberwurm) bestehen. Eine Schicht aus Metallatomen befindet sich zwischen zwei Schichten aus Chalkogenatomen, die durch die Formel MX2 (M - Metall und X - Chalkogen) ausgedrückt werden können.
Die Dotierung von DPMs wie Vanadium (V), Mn und Fe und ihre Umwandlung in einen atomar dünnen verdünnten magnetischen Halbleiter (RMP) würde es uns ermöglichen, die magnetische Kopplung in zweidimensionalen begrenzten Strukturen zu untersuchen. Trotz der Tatsache, dass PDMs durch Löslichkeit und chemische Stabilität begrenzt sind, können sie bis zu einem gewissen Grad in einschichtige RMPs dotiert werden. In solchen Experimenten wurde jedoch kein Ferromagnetismus nachgewiesen.

Trotzdem zeigten 2% Mn-Dotierung in Mn: MoS 2 -Monoschichten, die auf einem Graphensubstrat gewachsen waren, und 1% Rhenium (Re) -Dotierung in der Re: MoS 2 -Monoschicht eine Unterdrückung der Emission bei niedrigen Temperaturen, die mit Defekten verbunden waren. Daher besteht die Möglichkeit, Monolayer-PDMs vollständig zu realisieren.

Frühere Studien wurden durchgeführt, in denen Wissenschaftler versuchten, eine so schwierige Aufgabe wie einen auf PDM basierenden verdünnten magnetischen Halbleiter umzusetzen, aber die Ergebnisse dieser Arbeiten waren nicht besonders zufriedenstellend.

In der Studie, die wir heute betrachten, ist es uns immer noch gelungen, ein positives Ergebnis in Form einer erfolgreichen substituierenden Dotierung von Fe-Atomen in der MoS 2 -Monoschicht zu erzielen .

Forschungsergebnisse


Das Dotieren mit Eisen (Fe) der Monoschicht von MoS 2 wurde durch Züchten von MoS 2 und Fe 3 O 4 durch chemische Gasphasenabscheidung durchgeführt.

Um die Auswirkungen lokaler Verformungen im Substrat zu eliminieren, wurden Monoschichten aus MoS 2 und Fe: MoS 2 in Dünnschicht-hBN (hexagonales Bornitrid) eingekapselt.


Bild Nr. 1

Bild 1a zeigt ein SEM-Bild (Rasterelektronenmikroskop) von Fe: MoS 2 -Monoschichten . Wir sehen dreieckige inselähnliche Domänen, was für ähnliche MoS 2 -Synthesemethoden recht typisch ist .

Bild 1bzeigt eine schematische Darstellung der Atomstrukturen von Fe: MoS 2 -Monoschichten (Draufsicht und Seitenansicht). Da die Substitution von Fe-Atomen durch Mo-Stellen thermodynamisch günstig ist (d. H. Die Reaktion erfordert keine Energie), ersetzt ein Fe-Dotierstoffatom ein Mo-Atom im MoS 2 -Kristall .

Figur 1c zeigt eine PREM (Transmissions - Rasterelektronenmikroskop) -Aufnahme eines Fe: MoS 2 einschichtige. Im Vergleich zu Mo-Atomen (Z = 42) hat Fe (Z = 26) eine Ordnungszahl (d. H. Die Ladungszahl - die Anzahl der Protonen im Atomkern) ist 40% geringer. Da die Intensität der gestreuten Elektronen von der Ordnungszahl abhängt, wurde erwartet, dass die Fe-Atome eine geringere relative Intensität erzeugen, was für substituierte Fe-Atome im SEM-Bild deutlich zu sehen ist.

Der entsprechende PEM-Scan der Intensität ( 1d ) zeigt an, dass der Intensitätskoeffizient 0,38 beträgt, was mit früheren Studien übereinstimmt.

Um das Wachstum von Monoschichtdomänen von Fe: MoS 2 genau zu bestätigenwurden die Proben unter Verwendung von Rasterkraftmikroskopie (AFM) überprüft. Mit dieser Technik konnten wir bestätigen, dass nach der Nassreinigung und dem thermischen Tempern nach dem Dotieren auf der Oberfläche von Fe: MoS 2 keine Fe3O4-Partikel mehr vorhanden waren.

Als nächstes wurde eine optische Analyse von Fe: MoS 2 durchgeführt , die zusätzliche Beweise dafür lieferte, dass Fe erfolgreich in das Monoschichtgitter eingebaut wurde. Die Raman-Spektroskopie von Fe: MoS 2 zeigte zwei typische charakteristische Schwingungsmoden von MoS 2 -Monoschichten bei E 1 2 g = 385,4 cm –1 (Schwingung in der Ebene der Mo- und S-Atome) und A 1 g = 405,8 cm –1(Schwingung von S-Atomen außerhalb der Ebene). Die Einführung von Eisen bewirkt eine Verlängerung der Raman-Linienbreite von 5,8 ± 0,1 auf 7,6 ± 0,1 cm –1 für A 1 g und von 4 ± 0,1 auf 4,5 ± 0,1 cm –1 für E 1 2 g .

Änderungen im Gitter der Monoschicht wurden zusätzlich untersucht, indem die Photolumineszenzspektren der Monoschichten von MoS 2 und Fe: MoS 2 bei Raumtemperatur verglichen wurden . Das beobachtete starke Löschen der Photolumineszenz wird durch zusätzliche nicht strahlende Rekombinationskanäle (Einfangzustände) erklärt, die auf Dotierung zurückzuführen sind und den erfolgreichen Einbau von Fe bestätigen. Entwicklung der Photolumineszenzintensität als Funktion der Temperatur für Fe: MoS 2 - und MoS- Monoschichten2 ist in 1e bzw. 1f gezeigt .


Bild Nr. 2

Bild 2a zeigt die Photolumineszenzemission (PL) von Fe: MoS 2 - und MoS 2 -Monoschichten bei niedriger Temperatur in einem breiteren Energiebereich, einschließlich des Bandlückenmodus. Beim Vergleich des PL der Monoschichten Fe: MoS 2 und MoS 2 wird der Emissionspeak bei 2,28 eV deutlich.

Grafik 2b zeigt die Emission von Fe: MoS 2für drei verschiedene Dreiecke, die signifikante Intensitätsänderungen bei einem Peak von 2,28 eV zeigen. Der Grund für diese Änderungen kann der Unterschied in der Konzentration des Dotierstoffs (Fe) zwischen diesen unterschiedlich ausgerichteten Dreiecken sein.

Um lokale Schwingungs-Raman-Moden auszuschließen, die mit Fe als Quelle des Elektron-Loch-Übergangs * assoziiert sind , wurden optische Spektren im Bereich des 2,28 eV-Peaks aufgenommen. In diesem Fall wurde die Laserwellenlänge von 405 nm ( 2c ) auf 532 nm ( 2d ) eingestellt.
Der Elektron-Loch-Übergang * ist die Kontaktfläche zweier Halbleiter mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten - Loch (positiv) und Elektron (negativ).
Ein Vergleich der Ergebnisse zeigte, dass sich die Position des Peaks nicht ändert. Dies bestätigt, dass die beobachtete Strahlung, die mit Eisen verbunden ist, nicht durch den Raman-Schwingungsmodus verursacht wird, der sich relativ zur Laserenergie verschieben würde.


Bild Nr. 3

Um den Ursprung des mit Eisen assoziierten PL-Peaks bei 2,28 eV zu untersuchen, verwendeten die Forscher DFT (Dichtefunktionaltheorie), um die elektronische Struktur von Fe: MoS 2 zu berechnen .

Eine isolierte Dotierungs-Fe-Verunreinigung wurde als Ersatz eines Mo-Atoms durch ein Fe-Atom in einer 5 × 5-MoS 2 -Superzelle ( 3a ) modelliert .

Am 3bDie Struktur der spinpolarisierten Zonen für dieses System ist gezeigt, wobei die Fläche jedes blauen (oder grünen) Kreises proportional zur Überlappung des Zustands mit Spin nach oben (oder unten) und einer Kugel mit einem Radius von 1,3 Å ist, die im Fe-Atom zentriert ist. Die Grafik zeigt, dass das Vorhandensein von Fe Zustände einführt, die innerhalb der unberührten Bandlücke von MoS 2 liegen . Und die Tatsache, dass sich die großen blauen und grünen Kreise innerhalb des verbotenen Bandes nicht überlappen, zeigt an, dass Fe ein magnetisches Moment induziert.

Figur 3c zeigt einen Vergleich der spontanen Emissionsraten des Leitungsbandes mit dem Spin - up und dem Leitungsband von unberührtem MoS 2 . Die niedrigste Strahlungsenergie für den Ausgangszustand von MoS 2beträgt ~ 1,79 eV, was einem großen PL-Peak bei 2a entspricht , der als Ergebnis der Relaxation über die gesamte Bandlücke entsteht. Das Vorhandensein von Fe führt einen weiteren signifikanten Übergang mit einer Energie von ~ 2,32 eV ein, was dem experimentell beobachteten Peak der PL-Emission von Fe: MoS 2 bei 2,28 eV entspricht.

Der erwartete Wert des PL-Peaks ist viel kleiner als in 3c gezeigt , da sich jedes Loch im Valenzband, das von der Laseranregung übrig bleibt, sehr schnell ohne Strahlung auf das Maximum des Valenzbandes entspannt. Daher verbringen Löcher sehr wenig Zeit im Zustand des Valenzbandes, das dem Übergang von 2,28 eV entspricht, was diesen Übergang viel weniger wahrscheinlich macht als den Übergang zum Maximum des Valenzbandes.


Bild Nr. 4

In der nächsten Phase der Studie wurden die magnetischen Eigenschaften der Fe: MoS 2 -Monoschichten bewertet .

Es ist bekannt, dass optische Strahlung von Übergangsmetallionenkomplexen normalerweise als Ergebnis des Ladungstransfers zwischen Liganden und einem Übergangsmetall auftritt. Der Spin-Drehimpuls eines Elektrons in einem Ion hängt aufgrund der Regeln für die Auswahl des Spins von zirkular polarisiertem Licht stark von der Polarisation ab. Somit zeigen Übergangsmetallionen bei Anregung mit linker und rechter Zirkularpolarisation eine ungleiche Menge an Lichtabsorption.

Auf atomarer Ebene hängt die Lichtabsorption eng mit magnetisch induzierten Zeeman-Verschiebungen zusammen. Daher kann die Durchführung einer MCD-Spektroskopie (magnetischer Zirkulardichroismus) eine Vorstellung von den magnetischen Eigenschaften des Materials geben.

Grafiken4a und 4b zeigen die PL-Spektren von Fe: MoS 2 bei Anregung durch das entgegengesetzte zirkular polarisierte Licht sowohl bei 4 K als auch bei Raumtemperatur. Die mit Fe verbundene Strahlung zeigt sowohl bei 4 K als auch bei RT einen starken Zirkulardichroismus * (ρ ≈ 40%).
Zirkulardichroismus * - die Differenz zwischen den Absorptionskoeffizienten des entlang des rechten und linken Kreises polarisierten Lichts.
In Anbetracht der Tatsache, dass die Lumineszenz von Übergangsmetallen oberhalb der Curie-Temperatur ihren Zirkulardichroismus verliert, legt die Beobachtung eines starken Dichroismus bei 300 K nahe, dass Fe: MoS 2 bei Raumtemperatur ferromagnetisch bleibt.

Abbildung 4c zeigt die Fe-bezogene MCD-Emission als Funktion des zunehmenden (blaue Punkte) und abnehmenden (rote Punkte) Magnetfelds im Bereich von –3 T bis 3 T bei 4 K. Die ausgeprägte Hystereseschleife identifiziert eindeutig die ferromagnetische Natur der damit verbundenen PL-Strahlung mit Eisen.

Figur 4d zeigt , dass Fe: MoS 2 Monoschichten aufweisen , einen ausgeprägten M - H Hystereseschleife sowohl bei 5 K und bei Raumtemperatur. Dies bestätigt, dass die synthetisierten Monoschichten Fe: MoS 2zeigen Ferromagnetismus sogar bei 300 K. Zusammenfassend

führten die Wissenschaftler eine Magnetometrie von Fe: MoS 2 -Monoschichten durch , um die lokale Stärke des ferromagnetischen Feldes bei Raumtemperatur unter Verwendung der ODMR-Methode (optische Magnetresonanzdetektion) abzuschätzen.


Bild Nr. 5

Ein beispielhaftes ODMR-Spektrum für Fe: MoS 2 und MoS 2 ist in 5a gezeigt . In 5b ist ein Histogramm der Zeeman-Aufteilung der in der 24- und 20-Punkte-Monoschicht Fe: MoS 2 bzw. MoS undotiert 2 gespeicherten Energie gezeigt . Die statistische Analyse zeigt, dass die durchschnittliche Energieaufteilung auf Fe: MoS 2 im Vergleich zu reinem MoS um ~ 11 MHz anstieg2 . Aus diesen Daten wurde gefunden, dass das lokale Magnetfeld der Probe 0,5 ± 0,1 mT erreichen kann. Dieser Indikator liegt nahe an dem in 2D-Ferromagneten CrI 3 und CrBr 3 bei kryogener Temperatur gemessenen Indikator .

Die Tatsache, dass Fe: MoS 2 bei Raumtemperatur ein großes lokales Magnetfeld aufweist, ist ein klarer Beweis dafür, dass dieses Material seine Magnetisierung beibehalten hat. Aus den Daten kann daher geschlossen werden, dass Fe: MoS 2 -Monoschichten mit eingebetteten Fe-Atomen als verdünnte magnetische Halbleiter wirken, die bei Raumtemperatur Ferromagnetismus zeigen.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesenund zusätzliche Materialien dazu.

Epilog


Die Entwicklung von Technologien und verwandten Geräten ist häufig mit dem Komfort derjenigen verbunden, die sie verwenden. Moderne Geräte werden immer kleiner, aber es gibt nicht viel Kompaktheit. Unabhängig davon, wie Benutzer die Abmessungen ihrer bevorzugten Gadgets minimieren möchten, ist dieser Prozess durch die Abmessungen der Innenräume dieser Geräte begrenzt.

Die Autoren dieser Studie stellen fest, dass klassische Transistoren nicht unendlich abnehmen können, was sowohl den Gesetzen der Logik als auch der Physik entspricht. Wenn die Klassiker jedoch nicht funktionieren, können Sie in die Richtung der Moderne schauen, die Wissenschaftler getan haben. In ihrer Arbeit beschrieben sie einen neuen Halbleitertyp Fe: MoS 2Kombinieren der Eigenschaften eines Halbleiters und eines Ferromagneten. Eisenatome drängen bei ihrer Entstehung sozusagen Molybdänatome an ihre Stelle. Das Ergebnis dieses Prozesses ist ein sehr dünnes (nur zwei Atome dick) und ein flexibles Material, das die Magnetisierung bei Raumtemperatur beibehält.

Wie die Forscher selbst sagen, entspricht ihre Erfindung nicht dem bekannten Gesetz von Moore, da sie nicht mit der physikalischen Skalierung zusammenhängt. In ihrer Arbeit beschrieben sie die Fähigkeit, nicht nur die Ladung eines Elektrons, sondern auch seinen Spin zu nutzen, was die Möglichkeiten zukünftiger Technologien erweitert.

Die Grundlage zukünftiger Geräte, die nach Ansicht von Wissenschaftlern flexibel, leicht und transparent sind, kann ein umfassendes Verständnis und eine vollständige Kontrolle der Eigenschaften der Materialien sein, aus denen sie hergestellt werden.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs. :) :)

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