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Microminiaturización: semiconductor magnético de dos átomos



Desde los primeros teléfonos celulares, que pesaban hasta un kilogramo y funcionaban con la energía durante media hora sin recargar, en el mundo de la tecnología ha habido muchas mejoras útiles, inventos innovadores y descubrimientos revolucionarios. Con el tiempo, los dispositivos que usamos casi todos los días se hacen más pequeños, pero más en términos de rendimiento. Este proceso inevitablemente se detendrá, ya que los transistores clásicos no pueden disminuir indefinidamente, sin importar lo que requieran los diseñadores de nuevos teléfonos inteligentes o tabletas. Por lo tanto, debe abandonar los clásicos y crear algo completamente nuevo, que fue realizado por científicos del Instituto de Tecnología Stevens (EE. UU.). Hoy observamos un estudio en el que describen un semiconductor magnético atómicamente delgado, capaz de no solo usar una carga de electrones,pero también su giro. ¿Qué formó la base del nuevo semiconductor, cómo se creó y qué tan productiva es esta novedad revolucionaria? Un informe de científicos nos contará sobre esto. Vamos.

Base de estudio


Spin es el momento angular intrínseco de las partículas elementales. La espintrónica, a su vez, es una rama de la electrónica cuántica que se ocupa del estudio de la transferencia de corriente de espín en materiales sólidos. En otras palabras, en contraste con la electrónica clásica, en spintronics, la transferencia de información ocurre a través de la corriente de spin.

En el aspecto de la creación de nuevos dispositivos, muchos científicos están tratando de obtener un control completo sobre los portadores de carga polarizados por rotación. Una opción para lograr este objetivo es un semiconductor magnético diluido (DMS o DMS de semiconductores magnéticos diluidos) Un semiconductor magnético convencional combina las propiedades de ferromagnetos y semiconductores. Pero un diluido (o semiconductor semimagnético) es esencialmente un semiconductor no magnético en el que está incrustado un cierto número de átomos paramagnéticos. Por ejemplo, la aleación de elementos de metales de transición, como el hierro (Fe) y el manganeso (Mn), en semiconductores a granel no magnéticos permite obtener DMS.

La pregunta es que estos DMS, aunque muestran excelentes resultados, pero funcionan a temperaturas muy específicas. Por ejemplo, el punto Curie para un semiconductor magnético diluido (Ga, Mn) As con una concentración de dopaje del 5% con manganeso se alcanza a 110 K, es decir. a -163.15 ° C. En este sentido, los científicos están tratando de hacer que el DMS funcione a temperatura ambiente para aprovechar al máximo sus ventajas fuera del laboratorio.

El descubrimiento relativamente reciente del ferromagnetismo en capas bidimensionales (2D) atómicamente delgadas, como CrI 3 (triyoduro de cromo) y Cr 2 Ge 2 Te 6 (telururo de cromo-germanio) ha cambiado el foco de la investigación de cristales a granel a materiales bidimensionales.

Monocapaslos dichoslcogenuros de metales de transición (DPM) * en forma de semiconductores atómicamente delgados exhiben propiedades eléctricas y ópticas únicas que dependen directamente del grosor. Sin embargo, las monocapas PDM permanecen no magnéticas en su propia forma.
El dicholcogenuro de metal de transición (DPM) * es un semiconductor delgado de monocapa que consiste en un metal de transición y un calcógeno (oxígeno, azufre, selenio, teluro, polonio o lombriz hepática). Una capa de átomos de metal se encuentra entre dos capas de átomos de calcógeno, que se pueden expresar mediante la fórmula MX2 (M - metal y X - calcógeno).
El dopaje de DPM, como vanadio (V), Mn y Fe, y su transformación en un semiconductor magnético diluido atómicamente diluido (RMP) nos permitiría estudiar el acoplamiento magnético en estructuras confinadas bidimensionales. A pesar del hecho de que los PDM están limitados por la solubilidad y la estabilidad química, se pueden dopar hasta cierto punto en RMP de una sola capa. Sin embargo, en tales experimentos, el ferromagnetismo no se ha demostrado.

A pesar de esto, el 2% de dopaje con Mn en monocapas de Mn: MoS 2 cultivadas en un sustrato de grafeno, y el 1% de dopaje con (Re) renio en la monocapa Re: MoS 2 demostró la supresión de la emisión a bajas temperaturas asociadas con defectos. Por lo tanto, existe la posibilidad de realizar plenamente PDM monocapa.

Se realizaron estudios anteriores en los que los científicos intentaron implementar una tarea tan difícil como un semiconductor magnético diluido basado en PDM, pero los resultados de estos trabajos no fueron particularmente satisfactorios.

En el estudio que estamos considerando hoy, aún logramos un resultado positivo en la forma de un exitoso dopaje por sustitución de átomos de Fe en la monocapa de MoS 2 .

Resultados de la investigacion


Dopando con hierro (Fe) la monocapa de MoS 2 se llevó a cabo haciendo crecer MoS 2 y Fe 3 O 4 por deposición química de vapor.

Para eliminar los efectos de las deformaciones locales en el sustrato, las monocapas de MoS 2 y Fe: MoS 2 se encapsularon en hBN de película delgada (nitruro de boro hexagonal).


Imagen nº 1 La

imagen 1a muestra una imagen SEM (microscopio electrónico de barrido) de monocapas de Fe: MoS 2 . Vemos dominios triangulares tipo isla, que es bastante típico para métodos similares de síntesis de MoS 2 .

Imagen 1bmuestra una representación esquemática de las estructuras atómicas de monocapas de Fe: MoS 2 (vistas superior y lateral). Dado que la sustitución de los sitios Mo por átomos de Fe es termodinámicamente favorable (es decir, la reacción no requiere energía), un átomo dopante de Fe reemplaza un átomo de Mo en el cristal de MoS 2 .

La Figura 1c muestra una imagen PREM (microscopio electrónico de barrido de transmisión) de una monocapa de Fe: MoS 2. En comparación con los átomos de Mo (Z = 42), Fe (Z = 26) tiene un número atómico (es decir, el número de carga, el número de protones en el núcleo atómico) es un 40% menor. Dado que la intensidad de los electrones dispersos depende del número atómico, se esperaba que los átomos de Fe produjeran una intensidad relativa más baja, que se ve claramente para los átomos de Fe sustituidos en la imagen SEM.

El escaneo PEM correspondiente de la intensidad ( 1d ) indica que el coeficiente de intensidad es 0.38, lo cual es consistente con estudios previos.

Para confirmar con precisión el crecimiento de dominios monocapa de Fe: MoS 2, las muestras se verificaron mediante microscopía de fuerza atómica (AFM). Esta técnica nos permitió confirmar que después de la limpieza húmeda y el recocido térmico, no quedaban partículas de Fe3O4 después del dopaje en la superficie de Fe: MoS 2 .

A continuación se realizó un análisis óptico de Fe: MoS 2 , que proporcionó evidencia adicional de que Fe se incorporó con éxito en la red monocapa. La espectroscopía Raman de Fe: MoS 2 demostró dos modos de vibración característicos típicos de monocapas de MoS 2 en E 1 2g = 385.4 cm -1 (vibración en el plano de los átomos de Mo y S) y A 1g = 405.8 cm -1(vibración fuera del plano de átomos de S). La introducción de hierro provoca una extensión del ancho de la línea Raman de 5.8 ± 0.1 a 7.6 ± 0.1 cm -1 para A 1g y de 4 ± 0.1 a 4.5 ± 0.1 cm -1 para E 1 2g .

Los cambios en la red de la monocapa se estudiaron adicionalmente comparando los espectros de fotoluminiscencia a temperatura ambiente de las monocapas de MoS 2 y Fe: MoS 2 . El fuerte enfriamiento observado de la fotoluminiscencia se explica por canales adicionales de recombinación no radiactiva (estados de captura), que se deben al dopaje, lo que confirma la incorporación exitosa de Fe. Evolución de la intensidad de fotoluminiscencia en función de la temperatura para monocapas de Fe: MoS 2 y MoS2 se muestra en 1e y 1f, respectivamente.


Imagen n. ° 2 La

imagen 2a muestra la emisión fotoluminiscente (PL) de baja temperatura de monocapas de Fe: MoS 2 y MoS 2 en un rango de energía más amplio, incluido el modo de banda prohibida. Al comparar el PL de las monocapas Fe: MoS 2 y MoS 2 , el pico de emisión a 2.28 eV se vuelve obvio.

El gráfico 2b muestra la emisión de Fe: MoS 2para tres triángulos diferentes, que muestran cambios significativos en la intensidad a un pico de 2.28 eV. La razón de estos cambios puede ser la diferencia en la concentración del dopante (Fe) entre estos triángulos de orientación diferente.

Además, para excluir los modos Raman vibracionales locales asociados con Fe como la fuente de la transición electrón - agujero * , se registraron espectros ópticos en la región del pico de 2.28 eV. En este caso, la longitud de onda del láser se ajustó de 405 nm ( 2c ) a 532 nm ( 2d ).
La transición electrón-agujero * es el área de contacto de dos semiconductores con diferentes conductividades: agujero (positivo) y electrón (negativo).
Una comparación de los resultados mostró que la posición del pico no cambia. Esto confirma que la radiación observada asociada con el hierro no es causada por el modo vibratorio Raman, que cambiaría en relación con la energía del láser.


Imagen No. 3

Para investigar el origen del pico PL asociado con el hierro a 2.28 eV, los investigadores utilizaron DFT (teoría funcional de la densidad) para calcular la estructura electrónica de Fe: MoS 2 .

Una impureza de Fe de dopaje aislada se modeló como el reemplazo de un átomo de Mo por un átomo de Fe en una supercélula de 5 × 5 MoS 2 ( 3a ).

En 3bSe muestra la estructura de zonas polarizadas por giro para este sistema, donde el área de cada círculo azul (o verde) es proporcional a la superposición del estado con giro hacia arriba (o hacia abajo) y una esfera de radio 1.3 Å centrada en el átomo de Fe. El gráfico muestra que la presencia de Fe introduce estados que se encuentran dentro del intervalo de banda intacto de MoS 2 . Y el hecho de que los grandes círculos azules y verdes dentro de la banda prohibida no se superponen indica que Fe induce un momento magnético.

La figura 3c muestra una comparación de las tasas de emisión espontánea de la banda de conducción con la rotación y la banda de conducción del MoS 2 prístino . La energía de radiación más baja para el estado inicial de MoS 2es ~ 1.79 eV, que corresponde a un pico PL grande en 2a , que surge como resultado de la relajación en todo el intervalo de banda. La presencia de Fe introduce otra transición significativa con una energía de ~ 2.32 eV, que corresponde al pico observado experimentalmente de la emisión PL de Fe: MoS 2 a 2.28 eV.

El valor esperado del pico PL es mucho más pequeño que el mostrado en 3c , ya que cualquier agujero en la banda de valencia que queda de la excitación láser se relaja muy rápidamente sin radiación hasta el máximo de la banda de valencia. Por lo tanto, los agujeros pasarán muy poco tiempo en el estado de la banda de valencia correspondiente a la transición de 2.28 eV, lo que hace que esta transición sea mucho menos probable que la transición al máximo de la banda de valencia.


Imagen No. 4

En la siguiente etapa del estudio, se evaluaron las características magnéticas de las monocapas de Fe: MoS 2 .

Se sabe que la radiación óptica de los complejos de iones de metales de transición generalmente ocurre como resultado de la transferencia de carga entre ligandos y un metal de transición. El momento angular de giro de un electrón en un ion depende en gran medida de la polarización debido a las reglas para seleccionar el giro de la luz polarizada circularmente. Por lo tanto, los iones de metales de transición exhiben una cantidad desigual de absorción de luz tras la excitación con polarización circular izquierda y derecha.

A nivel atómico, la absorción de luz está estrechamente relacionada con los cambios Zeeman inducidos magnéticamente. Por lo tanto, realizar una espectroscopía MCD (dicroísmo circular magnético) puede dar una idea de las propiedades magnéticas del material.

Gráficos4a y 4b muestran los espectros PL de Fe: MoS 2 tras la excitación por la luz polarizada circularmente opuesta tanto a 4 K como a temperatura ambiente. La radiación asociada con Fe muestra un fuerte dicroísmo circular * (ρ ≈ 40%) tanto a 4 K como a RT.
Dicroísmo circular * : la diferencia entre los coeficientes de absorción de la luz polarizada a lo largo de los círculos derecho e izquierdo.
Teniendo en cuenta que la luminiscencia de los metales de transición pierde su dicroísmo circular por encima de la temperatura de Curie, la observación de dicroísmo fuerte a 300 K sugiere que Fe: MoS 2 permanece ferromagnético a temperatura ambiente.

La Figura 4c muestra la emisión de MCD relacionada con Fe en función del campo magnético creciente (puntos azules) y decreciente (puntos rojos) en el rango de −3 T a 3 T a 4 K. El bucle de histéresis pronunciado identifica claramente la naturaleza ferromagnética de la radiación PL asociada con con hierro

La Figura 4d muestra que las monocapas de Fe: MoS 2 exhiben un bucle de histéresis M-H pronunciado tanto a 5 K como a temperatura ambiente. Esto confirma que las monocapas sintetizadas Fe: MoS 2demuestran ferromagnetismo incluso a 300 K.

En conclusión, los científicos realizaron magnetometría de monocapas de Fe: MoS 2 para estimar la fuerza local del campo ferromagnético a temperatura ambiente utilizando el método ODMR (detección de resonancia magnética óptica).


Imagen No. 5

Un espectro ODMR ejemplar para Fe: MoS 2 y MoS 2 se muestra en 5a . La Figura 5b muestra un histograma de divisiones de energía Zeeman registradas en 24 y 20 puntos diferentes de la monocapa Fe: MoS 2 y MoS 2 sin dopar , respectivamente. El análisis estadístico muestra que la división de energía promedio en Fe: MoS 2 aumentó en ~ 11 MHz en comparación con el MoS puro2 . A partir de estos datos, se descubrió que el campo magnético local de la muestra puede alcanzar 0.5 ± 0.1 mT. Este indicador es similar al medido en ferromagnetos 2D CrI 3 y CrBr 3 a temperatura criogénica.

El hecho de que Fe: MoS 2 exhiba un gran campo magnético local a temperatura ambiente es una clara evidencia de que este material ha retenido su magnetización. Por lo tanto, de los datos se puede concluir que las monocapas de Fe: MoS 2 con átomos de Fe incrustados actúan como semiconductores magnéticos diluidos que exhiben ferromagnetismo a temperatura ambiente.

Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos.y materiales adicionales a la misma.

Epílogo


El desarrollo de tecnologías y dispositivos relacionados a menudo se asocia con la comodidad de quienes los usan. Los dispositivos modernos se están volviendo más pequeños, pero no hay mucha compacidad. Sin embargo, no importa cómo los usuarios deseen minimizar las dimensiones de sus dispositivos favoritos, este proceso está limitado por las dimensiones de los interiores de estos dispositivos.

Los autores de este estudio señalan que los transistores clásicos no pueden disminuir infinitamente, lo que es consistente con las leyes de la lógica y la física. Sin embargo, si los clásicos no funcionan, entonces puedes mirar en la dirección de la modernidad, lo que los científicos han hecho. En su trabajo, describieron un nuevo tipo de semiconductor Fe: MoS 2combinando las propiedades de un semiconductor y un ferromagnet. En el proceso de su creación, los átomos de hierro empujan a los átomos de molibdeno, por así decirlo, tomando su lugar. El resultado de este proceso es un material muy delgado (solo dos átomos de espesor) y flexible que retiene la magnetización a temperatura ambiente.

Como dicen los propios investigadores, su invención no obedece a la conocida ley de Moore, ya que no está relacionada con la escala física. En su trabajo, describieron la capacidad de usar no solo la carga de un electrón, sino también su giro, lo que amplía las posibilidades de las tecnologías futuras.

La base de los dispositivos del futuro, flexibles, ligeros y transparentes, según los científicos, puede ser una comprensión y un control completos de las propiedades de los materiales con los que se fabricarán.

Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana laboral, muchachos. :)

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