Get best of the week

Microminiaturisation: semi-conducteur magnétique à deux atomes



Depuis les premiers téléphones portables, qui pesaient jusqu'à un kilogramme et fonctionnaient pendant une demi-heure sans recharge, dans le monde de la technologie, il y a eu de nombreuses améliorations utiles, des inventions innovantes et des découvertes révolutionnaires. Au fil du temps, les gadgets que nous utilisons presque tous les jours deviennent plus petits, mais plus en termes de performances. Ce processus va inévitablement s'arrêter, car les transistors classiques ne peuvent pas diminuer indéfiniment, quels que soient les besoins des concepteurs de nouveaux smartphones ou tablettes. Par conséquent, vous devez abandonner les classiques et créer quelque chose de complètement nouveau, ce qui a été fait par des scientifiques du Stevens Institute of Technology (États-Unis). Aujourd'hui, nous examinons une étude dans laquelle ils décrivent un semi-conducteur magnétique atomiquement mince, capable non seulement d'utiliser une charge d'électrons,mais aussi son spin. Quelle est la base du nouveau semi-conducteur, comment a-t-il été créé et quelle est la productivité de cette nouveauté révolutionnaire? Un rapport de scientifiques nous en parlera. Aller.

Base d'étude


Le spin est le moment angulaire intrinsèque des particules élémentaires. La spintronique, quant à elle, est une branche de l'électronique quantique qui traite de l'étude du transfert de courant de spin dans les matériaux solides. En d'autres termes, contrairement à l'électronique classique, en spintronique, le transfert d'informations se fait à travers le courant de spin.

Dans le cadre de la création de nouveaux appareils, de nombreux scientifiques tentent d'obtenir un contrôle complet sur les porteurs de charge polarisés en spin. Une option pour atteindre cet objectif est un semi-conducteur magnétique dilué (DMS ou DMS à partir de semi-conducteurs magnétiques dilués) Un semi-conducteur magnétique conventionnel combine les propriétés des ferromagnétiques et des semi-conducteurs. Mais un semi-conducteur dilué (ou semi-magnétique) est essentiellement un semi-conducteur non magnétique dans lequel un certain nombre d'atomes paramagnétiques sont intégrés. Par exemple, l'alliage d'éléments de métaux de transition, tels que le fer (Fe) et le manganèse (Mn), dans des semi-conducteurs en vrac non magnétiques permet d'obtenir un DMS.

La question est que ces DMS, bien qu'ils montrent d'excellents résultats, mais fonctionnent à des températures très spécifiques. Par exemple, le point de Curie pour un semi-conducteur magnétique dilué (Ga, Mn) As avec une concentration de dopage de 5% avec du manganèse est atteint à 110 K, soit à -163,15 ° C À cet égard, les scientifiques tentent de faire fonctionner le DMS à température ambiante afin de profiter pleinement de leurs avantages en dehors du laboratoire.

La découverte relativement récente du ferromagnétisme dans des couches atomiques minces bidimensionnelles (2D), telles que le CrI 3 (triiodure de chrome) et le Cr 2 Ge 2 Te 6 (tellurure de chrome-germanium) a déplacé le centre de la recherche des cristaux en vrac aux matériaux bidimensionnels.

Monocouchesles dichalcogénures de métaux de transition (DPM) * sous forme de semi-conducteurs atomiquement minces présentent des propriétés électriques et optiques uniques qui dépendent directement de l'épaisseur. Cependant, les monocouches PDM restent non magnétiques sous leur propre forme.
Les dichalcogénures de métaux de transition (DPM) * sont des semi-conducteurs monocouches minces constitués d'un métal de transition et d'un chalcogène (oxygène, soufre, sélénium, tellure, polonium ou ténébrion). Une couche d'atomes métalliques est située entre deux couches d'atomes de chalcogène, qui peuvent être exprimées par la formule MX2 (M - métal et X - chalcogène).
Le dopage des DPM, tels que le vanadium (V), le Mn et le Fe, et sa transformation en un semi-conducteur magnétique dilué atomiquement (RMP) nous permettrait d'étudier le couplage magnétique dans des structures confinées bidimensionnelles. Malgré le fait que les PDM sont limités par la solubilité et la stabilité chimique, ils peuvent être dopés dans une certaine mesure en RMP monocouche. Cependant, dans de telles expériences, le ferromagnétisme n'a pas été démontré.

Malgré cela, 2% de dopage au Mn dans les monocouches Mn: MoS 2 cultivées sur un substrat en graphène et 1% de (Re) dopage au rhénium dans la monocouche Re: MoS 2 ont démontré une suppression des émissions à basses températures associées à des défauts. Par conséquent, il est possible de réaliser pleinement les MPD monocouches.

Des études antérieures ont été menées dans lesquelles les scientifiques ont essayé de mettre en œuvre une tâche aussi difficile qu'un semi-conducteur magnétique dilué basé sur PDM, mais les résultats de ces travaux n'étaient pas particulièrement satisfaisants.

Dans l'étude que nous envisageons aujourd'hui, nous avons quand même réussi à obtenir un résultat positif sous la forme d'un dopage substitutif réussi des atomes de Fe dans la monocouche MoS 2 .

Résultats de recherche


En dopant avec du fer (Fe), la monocouche de MoS 2 a été réalisée par croissance de MoS 2 et Fe 3 O 4 par dépôt chimique en phase vapeur.

Pour éliminer les effets des déformations locales dans le substrat, des monocouches de MoS 2 et Fe: MoS 2 ont été encapsulées dans du film mince hBN (nitrure de bore hexagonal).


Image n ° 1 L'

image 1a montre une image SEM (microscope électronique à balayage) de monocouches Fe: MoS 2 . Nous voyons des domaines triangulaires semblables à des îles, ce qui est assez typique pour des méthodes de synthèse MoS 2 similaires .

Image 1bmontre une représentation schématique des structures atomiques des monocouches Fe: MoS 2 (vues de dessus et de côté). Comme la substitution par les atomes de Fe des sites Mo est thermodynamiquement favorable (c'est-à-dire que la réaction ne nécessite pas d'énergie pour se produire), un atome dopant Fe remplace un atome Mo dans un cristal MoS 2 .

La figure 1c montre une image PREM (microscope électronique à balayage à transmission) d'une monocouche Fe: MoS 2. Comparé aux atomes de Mo (Z = 42), Fe (Z = 26) a un numéro atomique (c'est-à-dire que le nombre de charges - le nombre de protons dans le noyau atomique) est de 40% inférieur. Étant donné que l'intensité des électrons diffusés dépend du nombre atomique, on s'attendait à ce que les atomes de Fe produisent une intensité relative inférieure, ce qui est clairement visible pour les atomes de Fe substitués dans l'image SEM.

Le balayage PEM correspondant de l'intensité ( 1d ) indique que le coefficient d'intensité est de 0,38, ce qui est cohérent avec les études précédentes.

Pour confirmer avec précision la croissance des domaines monocouches de Fe: MoS 2, les échantillons ont été vérifiés par microscopie à force atomique (AFM). Cette technique nous a permis de confirmer qu'après nettoyage humide et recuit thermique, aucune particule de Fe3O4 n'y restait après dopage à la surface de Fe: MoS 2 .

Une analyse optique de Fe: MoS 2 a ensuite été effectuée , ce qui a fourni des preuves supplémentaires que Fe a été incorporé avec succès dans le réseau monocouche. La spectroscopie Raman de Fe: MoS 2 a démontré deux modes de vibration caractéristiques typiques des monocouches de MoS 2 à E 1 2g = 385,4 cm -1 (vibration dans le plan des atomes Mo et S) et A 1g = 405,8 cm -1(vibration hors plan des atomes S). L'introduction du fer provoque une extension de la largeur de la ligne Raman de 5,8 ± 0,1 à 7,6 ± 0,1 cm -1 pour A 1g et de 4 ± 0,1 à 4,5 ± 0,1 cm -1 pour E 1 2g .

Les changements dans le réseau de la monocouche ont également été étudiés en comparant les spectres de photoluminescence à température ambiante des monocouches de MoS 2 et Fe: MoS 2 . La forte trempe observée de la photoluminescence s'explique par des canaux de recombinaison non radiatifs supplémentaires (états de capture), qui sont dus au dopage, ce qui confirme la réussite de l'incorporation de Fe. Evolution de l'intensité de photoluminescence en fonction de la température pour les monocouches Fe: MoS 2 et MoS2 est représenté en 1e et 1f, respectivement.


Image n ° 2 L'

image 2a montre l'émission photoluminescente (PL) à basse température de monocouches Fe: MoS 2 et MoS 2 dans une gamme d'énergie plus large, y compris le mode bande interdite. En comparant le PL des monocouches Fe: MoS 2 et MoS 2 , le pic d'émission à 2,28 eV devient évident.

Le graphique 2b montre l'émission de Fe: MoS 2pour trois triangles différents, montrant des changements significatifs d'intensité à un pic de 2,28 eV. La raison de ces changements peut être la différence de concentration du dopant (Fe) entre ces triangles orientés différemment.

De plus, afin d'exclure les modes Raman vibrationnels locaux associés à Fe comme source de la transition électron-trou * , des spectres optiques ont été enregistrés dans la région du pic de 2,28 eV. Dans ce cas, la longueur d'onde laser a été ajustée de 405 nm ( 2c ) à 532 nm ( 2d ).
La transition électron-trou * est la zone de contact de deux semi-conducteurs avec des conductivités différentes - trou (positif) et électron (négatif).
Une comparaison des résultats a montré que la position du pic ne change pas. Cela confirme que le rayonnement observé associé au fer n'est pas provoqué par le mode vibrationnel Raman, qui se déplacerait par rapport à l'énergie laser.


Image n ° 3

Pour étudier l'origine du pic PL associé au fer à 2,28 eV, les chercheurs ont utilisé la DFT (théorie fonctionnelle de la densité) pour calculer la structure électronique de Fe: MoS 2 .

Une impureté Fe dopante isolée a été modélisée comme le remplacement d'un atome Mo par un atome Fe dans une supercellule 5 × 5 MoS 2 ( 3a ).

Sur 3bLa structure des zones polarisées en spin pour ce système est montrée, où l'aire de chaque cercle bleu (ou vert) est proportionnelle au chevauchement de l'état avec spin up (ou down) et une sphère de rayon 1,3 Å centrée dans l'atome Fe. Le graphique montre que la présence de Fe introduit des états qui se trouvent dans la bande interdite intacte de MoS 2 . Et le fait que les grands cercles bleus et verts à l'intérieur de la bande interdite ne se chevauchent pas indique que Fe induit un moment magnétique.

La figure 3c montre une comparaison des taux d'émission spontanée de la bande de conduction avec le spin up et la bande de conduction du MoS 2 vierge . L'énergie de rayonnement la plus faible pour l'état initial de MoS 2est ~ 1,79 eV, ce qui correspond à un grand pic de PL à 2a , qui résulte de la relaxation sur toute la bande interdite. La présence de Fe introduit une autre transition significative avec une énergie de ~ 2,32 eV, ce qui correspond au pic observé expérimentalement de l'émission PL de Fe: MoS 2 à 2,28 eV.

La valeur attendue du pic PL est beaucoup plus petite que celle indiquée en 3c , car tout trou dans la bande de valence restant de l'excitation laser se détend très rapidement sans rayonnement au maximum de la bande de valence. Par conséquent, les trous passeront très peu de temps dans l'état de la bande de valence correspondant à la transition de 2,28 eV, ce qui rend cette transition beaucoup moins probable que la transition vers le maximum de la bande de valence.


Image n ° 4

À l'étape suivante de l'étude, les caractéristiques magnétiques des monocouches Fe: MoS 2 ont été évaluées .

Il est connu que le rayonnement optique des complexes d'ions de métaux de transition se produit généralement à la suite du transfert de charge entre les ligands et un métal de transition. Le moment angulaire de spin d'un électron dans un ion dépend fortement de la polarisation en raison des règles de sélection du spin de la lumière polarisée circulairement. Ainsi, les ions de métaux de transition présentent une quantité inégale d'absorption de lumière lors de l'excitation avec une polarisation circulaire gauche et droite.

Au niveau atomique, l'absorption de la lumière est étroitement liée aux déplacements de Zeeman induits magnétiquement. Par conséquent, effectuer une spectroscopie MCD (dichroïsme circulaire magnétique) peut donner une idée des propriétés magnétiques du matériau.

Graphiques4a et 4b montrent les spectres PL de Fe: MoS 2 lors de l'excitation par la lumière polarisée circulairement opposée à la fois à 4 K et à température ambiante. Le rayonnement associé à Fe montre un fort dichroïsme circulaire * (ρ ≈ 40%) à la fois à 4 K et à RT.
Dichroïsme circulaire * - différence entre les coefficients d'absorption de la lumière polarisée le long des cercles droit et gauche.
Considérant que la luminescence des métaux de transition perd son dichroïsme circulaire au-dessus de la température de Curie, l'observation d'un fort dichroïsme à 300 K suggère que Fe: MoS 2 reste ferromagnétique à température ambiante.

La figure 4c montre les émissions de MCD liées au Fe en fonction du champ magnétique croissant (points bleus) et décroissant (points rouges) dans la plage de −3 T à 3 T à 4 K. La boucle d'hystérésis prononcée identifie clairement la nature ferromagnétique du rayonnement PL associé à avec du fer.

La figure 4d montre que les monocouches Fe: MoS 2 présentent une boucle d'hystérésis M-H prononcée à la fois à 5 K et à température ambiante. Cela confirme que les monocouches synthétisées Fe: MoS 2démontrent le ferromagnétisme même à 300 K.

En conclusion, les scientifiques ont réalisé la magnétométrie de monocouches Fe: MoS 2 pour estimer la force locale du champ ferromagnétique à température ambiante en utilisant la méthode ODMR (détection de résonance magnétique optique).


Image n ° 5

Un exemple de spectre ODMR pour Fe: MoS 2 et MoS 2 est montré en 5a . Le 5b montre un histogramme de la division Zeeman de l'énergie stockée dans les 24 et 20 points différents monocouche Fe: MoS 2 et MoS non dopé 2 respectivement. L'analyse statistique montre que le partage d'énergie moyen sur Fe: MoS 2 a augmenté de ~ 11 MHz par rapport au MoS pur2 . À partir de ces données, il a été constaté que le champ magnétique local de l'échantillon peut atteindre 0,5 ± 0,1 mT. Cet indicateur est proche de celui mesuré dans les ferromagnétiques 2D CrI 3 et CrBr 3 à température cryogénique.

Le fait que Fe: MoS 2 présente un grand champ magnétique local à température ambiante prouve clairement que ce matériau a conservé sa magnétisation. Par conséquent, on peut conclure des données que les monocouches Fe: MoS 2 avec des atomes de Fe intégrés agissent comme des semi-conducteurs magnétiques dilués qui présentent un ferromagnétisme à température ambiante.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiqueset des matériaux supplémentaires .

Épilogue


Le développement des technologies et des dispositifs associés est souvent associé au confort de ceux qui les utilisent. Les appareils modernes deviennent plus petits, mais il n'y a pas beaucoup de compacité. Cependant, quelle que soit la façon dont les utilisateurs souhaitent réduire les dimensions de leurs gadgets préférés, ce processus est limité par les dimensions de l'intérieur de ces appareils.

Les auteurs de cette étude notent que les transistors classiques ne peuvent pas diminuer à l'infini, ce qui est conforme à la fois aux lois de la logique et de la physique. Néanmoins, si les classiques ne fonctionnent pas, vous pouvez regarder dans le sens de la modernité, ce que les scientifiques ont fait. Dans leur travail, ils ont décrit un nouveau type de semi-conducteur Fe: MoS 2combinant les propriétés d'un semi-conducteur et d'un ferromagnétique. Au cours de sa création, les atomes de fer repoussent pour ainsi dire les atomes de molybdène. Le résultat de ce processus est un matériau très mince (seulement deux atomes d'épaisseur) et flexible qui conserve la magnétisation à température ambiante.

Comme le disent les chercheurs eux-mêmes, leur invention n'obéit pas à la loi bien connue de Moore, car elle n'est pas liée à la mise à l'échelle physique. Dans leur travail, ils ont décrit la capacité d'utiliser non seulement la charge d'un électron, mais aussi son spin, ce qui élargit les possibilités des technologies futures.

Le fondement des dispositifs du futur, flexibles, légers et transparents, selon les scientifiques, peut être une compréhension et un contrôle complets des propriétés des matériaux à partir desquels ils seront fabriqués.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars. :)

Un peu de publicité :)


Merci de rester avec nous. Aimez-vous nos articles? Vous voulez voir des matériaux plus intéressants? Soutenez-nous en passant une commande ou en recommandant à vos amis, le cloud VPS pour les développeurs à partir de 4,99 $ , un analogue unique de serveurs d'entrée de gamme que nous avons inventé pour vous: Toute la vérité sur VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 cœurs) 10 Go DDR4 480 Go SSD 1 Gbit / s à partir de 19 $ ou comment diviser le serveur? (les options sont disponibles avec RAID1 et RAID10, jusqu'à 24 cœurs et jusqu'à 40 Go de DDR4).

Dell R730xd 2 fois moins cher au centre de données Equinix Tier IV à Amsterdam? Nous avons seulement 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV à partir de 199 $ aux Pays-Bas!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - à partir de 99 $! En savoir plus sur la création d'un bâtiment d'infrastructure. classe c utilisant des serveurs Dell R730xd E5-2650 v4 coûtant 9 000 euros pour un sou?

More articles:


All Articles