Get best of the week

Microminiaturisasi: semikonduktor magnetik dua atom



Sejak ponsel pertama, yang berbobot hingga satu kilogram dan bekerja pada daya selama setengah jam tanpa pengisian ulang, di dunia teknologi telah ada banyak perbaikan yang berguna, penemuan inovatif dan penemuan revolusioner. Seiring waktu, gadget yang kami gunakan hampir setiap hari menjadi lebih kecil ukurannya, tetapi lebih banyak dalam hal kinerja. Proses ini pasti akan terhenti, karena transistor klasik tidak dapat berkurang tanpa batas waktu, tidak peduli apa yang dibutuhkan oleh desainer smartphone atau tablet baru. Karena itu, Anda perlu meninggalkan karya klasik dan menciptakan sesuatu yang sama sekali baru, yang dilakukan oleh para ilmuwan dari Institut Teknologi Stevens (AS). Hari ini kita melihat sebuah studi di mana mereka menggambarkan semikonduktor magnetik atom tipis, yang mampu tidak hanya menggunakan muatan elektron,tetapi juga putarannya. Apa yang membentuk dasar dari semikonduktor baru, bagaimana ia diciptakan, dan seberapa produktif kebaruan revolusioner ini? Sebuah laporan oleh para ilmuwan akan memberi tahu kami tentang ini. Pergilah.

Dasar studi


Spin adalah momentum sudut intrinsik partikel elementer. Spintronics, pada gilirannya, adalah cabang elektronik kuantum yang berkaitan dengan studi transfer arus putaran dalam bahan padat. Dengan kata lain, berbeda dengan elektronik klasik, dalam spintronics, transfer informasi terjadi melalui putaran arus.

Dalam aspek menciptakan perangkat baru, banyak ilmuwan mencoba untuk mendapatkan kontrol penuh atas pembawa muatan yang dipolarisasi-berputar. Salah satu opsi untuk mencapai tujuan ini adalah semikonduktor magnetik encer (DMS atau DMS dari semikonduktor magnetik encer) Semikonduktor magnetik konvensional menggabungkan sifat-sifat feromagnet dan semikonduktor. Tetapi semikonduktor yang diencerkan (atau semi-magnetik) pada dasarnya adalah semikonduktor non-magnetik di mana sejumlah atom paramagnetik tertanam. Sebagai contoh, unsur paduan logam transisi, seperti besi (Fe) dan mangan (Mn), menjadi semikonduktor curah non-magnetik memungkinkan seseorang untuk memperoleh DMS.

Pertanyaannya adalah bahwa DMS ini, meskipun mereka menunjukkan hasil yang sangat baik, tetapi bekerja pada suhu yang sangat spesifik. Sebagai contoh, titik Curie untuk semikonduktor magnetik encer (Ga, Mn) Seperti dengan konsentrasi doping 5% dengan mangan dicapai pada 110 K, mis. pada -163.15 ° C Dalam hal ini, para ilmuwan berusaha untuk membuat DMS bekerja pada suhu kamar untuk memanfaatkan sepenuhnya keuntungan mereka di luar laboratorium.

Penemuan feromagnetisme yang relatif baru dalam dua dimensi (2D) lapisan tipis atom, seperti CrI 3 (chromium triiodide) dan Cr 2 Ge 2 Te 6 (chromium-germanium telluride) telah menggeser fokus penelitian dari kristal curah ke bahan dua dimensi.

Lapisan warnadichalcogenides metal transisi (DPM) * dalam bentuk semikonduktor yang secara atomik tipis menunjukkan sifat listrik dan optik yang unik yang secara langsung bergantung pada ketebalan. Namun, monolayer PDM tetap non-magnetik dalam bentuknya sendiri.
Transition metal dichalcogenides (DPM) * adalah semikonduktor monolayer tipis yang terdiri dari logam transisi dan chalcogen (oksigen, sulfur, selenium, telurium, polonium atau cacing hati). Satu lapisan atom logam terletak di antara dua lapisan atom kalkogen, yang dapat dinyatakan dengan rumus MX2 (M - logam dan kalkogen X).
Doping DPM, seperti vanadium (V), Mn, dan Fe, dan transformasinya menjadi semikonduktor magnetik encer yang tipis secara atom (RMP) akan memungkinkan kami untuk mempelajari kopling magnetik dalam struktur terbatas dua dimensi. Terlepas dari kenyataan bahwa PDM dibatasi oleh kelarutan dan stabilitas kimia, mereka dapat didoping sampai batas tertentu menjadi RMP satu lapis. Namun, dalam percobaan tersebut, feromagnetisme belum dibuktikan.

Meskipun demikian, 2% Mn doping dalam Mn: Monolayer MoS 2 tumbuh pada substrat graphene, dan doping 1% renium (Re) dalam monolayer Re: MoS 2 menunjukkan penekanan emisi pada suhu rendah yang terkait dengan cacat. Oleh karena itu, ada peluang untuk sepenuhnya mewujudkan PDM monolayer.

Studi sebelumnya dilakukan di mana para ilmuwan mencoba untuk mengimplementasikan tugas yang sulit seperti semikonduktor magnetik yang dilarutkan berdasarkan PDM, tetapi hasil kerja ini tidak terlalu memuaskan.

Dalam penelitian yang kami pertimbangkan hari ini, kami masih berhasil mencapai hasil positif dalam bentuk doping atom Fe yang berhasil dalam monolayer MoS 2 .

Hasil penelitian


Doping dengan besi (Fe) monolayer MoS 2 dilakukan dengan menumbuhkan MoS 2 dan Fe 3 O 4 dengan deposisi uap kimia.

Untuk menghilangkan efek deformasi lokal dalam substrat, lapisan tunggal dari MoS 2 dan Fe: MoS 2 dienkapsulasi dalam film tipis hBN (hexagonal boron nitride).


Gambar No. 1

Gambar 1a menunjukkan gambar SEM (pemindaian mikroskop elektron) dari monolayer Fe: MoS 2 . Kami melihat domain mirip pulau berbentuk segitiga, yang cukup khas untuk metode sintesis MoS 2 yang serupa .

Gambar 1bmenunjukkan representasi skematis dari struktur atom monolayer Fe: MoS 2 (tampilan atas dan samping). Karena substitusi situs Mo untuk atom Fe menguntungkan secara termodinamik (yaitu, reaksi tidak memerlukan energi untuk terjadi), satu atom dopan Fe menggantikan satu atom Mo dalam kristal MoS 2 .

Gambar 1c menunjukkan gambar PREM (mikroskop pemindaian transmisi) dari monolayer Fe: MoS 2. Dibandingkan dengan atom Mo (Z = 42), Fe (Z = 26) memiliki nomor atom (yaitu, jumlah muatan - jumlah proton dalam inti atom) adalah 40% lebih sedikit. Karena intensitas elektron yang tersebar tergantung pada nomor atom, diharapkan bahwa atom Fe akan menghasilkan intensitas relatif lebih rendah, yang terlihat jelas untuk atom Fe tersubstitusi dalam gambar SEM.

PEM scan intensitas yang sesuai ( 1d ) menunjukkan bahwa koefisien intensitas adalah 0,38, yang konsisten dengan penelitian sebelumnya.

Untuk secara akurat mengkonfirmasi pertumbuhan domain monolayer dari Fe: MoS 2, sampel diperiksa menggunakan mikroskop kekuatan atom (AFM). Teknik ini memungkinkan kami untuk mengkonfirmasi bahwa setelah pembersihan basah dan anil termal, tidak ada partikel Fe3O4 yang tersisa di sana setelah doping pada permukaan Fe: MoS 2 .

Analisis optik Fe: MoS 2 dilakukan selanjutnya , yang memberikan bukti tambahan bahwa Fe berhasil dimasukkan ke dalam kisi monolayer. Spektroskopi Raman dari Fe: MoS 2 menunjukkan dua mode getaran karakteristik khas dari mono lapisan MoS 2 pada E 1 2g = 385,4 cm -1 (getaran pada bidang atom Mo dan S) dan A 1g = 405,8 cm -1(Getaran di luar bidang atom S). Pengenalan besi menyebabkan perpanjangan lebar garis Raman dari 5,8 ± 0,1 hingga 7,6 ± 0,1 cm -1 untuk A 1g dan dari 4 ± 0,1 hingga 4,5 ± 0,1 cm -1 untuk E 1 2g .

Perubahan dalam kisi dari monolayer juga dipelajari dengan membandingkan spektrum photoluminescence pada suhu kamar dari monolayer MoS 2 dan Fe: MoS 2 . Pendinginan kuat yang diamati dari photoluminescence dijelaskan oleh saluran rekombinasi nonradiatif tambahan (capture state), yang disebabkan oleh doping, yang mengkonfirmasi keberhasilan penggabungan Fe. Evolusi intensitas fotoluminesen sebagai fungsi suhu untuk Fe: MoS 2 dan MoS monolayer2 ditunjukkan masing-masing dalam 1e dan 1f .


Gambar No. 2

Gambar 2a menunjukkan emisi photoluminescent (PL) suhu rendah dari Fe: MoS 2 dan MoS 2 monolayer dalam rentang energi yang lebih luas, termasuk mode celah pita. Ketika membandingkan PL dari monolayer Fe: MoS 2 dan MoS 2 , puncak emisi pada 2,28 eV menjadi jelas.

Grafik 2b menunjukkan emisi Fe: MoS 2untuk tiga segitiga berbeda, menunjukkan perubahan intensitas yang signifikan pada puncak 2,28 eV. Alasan untuk perubahan ini mungkin karena perbedaan konsentrasi dopan (Fe) antara segitiga yang berbeda orientasi ini.

Selanjutnya, untuk mengecualikan mode Raman getaran lokal yang terkait dengan Fe sebagai sumber transisi lubang elektron * , spektra optik direkam di wilayah puncak 2,28 eV. Dalam hal ini, panjang gelombang laser disesuaikan dari 405 nm ( 2c ) hingga 532 nm ( 2d ).
Transisi lubang elektron * adalah bidang kontak dua semikonduktor dengan konduktivitas berbeda - lubang (positif) dan elektron (negatif).
Perbandingan hasil menunjukkan bahwa posisi puncak tidak berubah. Ini menegaskan bahwa radiasi yang diamati terkait dengan besi tidak disebabkan oleh mode getaran Raman, yang akan bergeser relatif terhadap energi laser.


Gambar No. 3

Untuk menyelidiki asal dari puncak PL yang terkait dengan besi pada 2,28 eV, para peneliti menggunakan DFT (teori fungsional kerapatan) untuk menghitung struktur elektronik Fe: MoS 2 .

Pengotor doping Fe yang terisolasi dimodelkan sebagai penggantian satu atom Mo oleh atom Fe dalam supercell 5 × 5 MoS 2 ( 3a ).

Pada 3bStruktur zona terpolarisasi spin untuk sistem ini ditampilkan, di mana area setiap lingkaran biru (atau hijau) sebanding dengan tumpang tindih negara dengan spin atas (atau ke bawah) dan sebuah bola jari-jari 1,3 Å yang berpusat pada atom Fe. Grafik menunjukkan bahwa kehadiran Fe memperkenalkan negara-negara yang terletak di dalam celah pita tak tersentuh dari MoS 2 . Dan fakta bahwa lingkaran biru dan hijau besar di dalam band terlarang tidak tumpang tindih menunjukkan bahwa Fe menginduksi momen magnetik.

Gambar 3c menunjukkan perbandingan tingkat emisi spontan dari pita konduksi dengan spin up dan pita konduksi MoS 2 murni . Energi radiasi terendah untuk kondisi awal MoS 2adalah ~ 1,79 eV, yang sesuai dengan puncak PL besar pada 2a , yang muncul sebagai akibat dari relaksasi seluruh celah pita. Kehadiran Fe memperkenalkan transisi signifikan lainnya dengan energi ~ 2.32 eV, yang sesuai dengan puncak yang diamati secara eksperimental dari emisi PL dari Fe: MoS 2 di 2.28 eV.

Nilai yang diharapkan dari puncak PL jauh lebih kecil daripada yang ditunjukkan pada 3c , karena setiap lubang pada pita valensi yang tersisa dari eksitasi laser akan rileks dengan sangat cepat tanpa radiasi hingga batas maksimum pita valensi. Oleh karena itu, lubang akan menghabiskan sedikit waktu dalam keadaan pita valensi sesuai dengan transisi 2,28 eV, yang membuat transisi ini jauh lebih kecil daripada transisi ke maksimum pita valensi.


Gambar No. 4

Pada tahap penelitian selanjutnya, karakteristik magnetik dari lapisan tunggal Fe: MoS 2 dievaluasi .

Diketahui bahwa radiasi optik dari kompleks ion logam transisi biasanya terjadi sebagai akibat dari transfer muatan antara ligan dan logam transisi. Spin momentum sudut elektron dalam ion sangat tergantung pada polarisasi karena aturan untuk memilih putaran cahaya terpolarisasi sirkuler. Dengan demikian, ion logam transisi menunjukkan jumlah yang tidak sama dari penyerapan cahaya pada eksitasi dengan polarisasi lingkaran kiri dan kanan.

Pada tingkat atom, penyerapan cahaya terkait erat dengan pergeseran Zeeman yang diinduksi secara magnetis. Oleh karena itu, melakukan spektroskopi MCD (magnetic circular dichroism) dapat memberikan gambaran tentang sifat magnetik material tersebut.

Grafik4a dan 4b menunjukkan spektrum PL dari Fe: MoS 2 pada eksitasi oleh cahaya terpolarisasi sirkuler yang berlawanan baik pada 4 K dan pada suhu kamar. Radiasi yang terkait dengan Fe menunjukkan dichroism melingkar yang kuat * (ρ ≈ 40%) pada 4 K dan pada RT.
Circular Dichroism * - perbedaan antara koefisien penyerapan cahaya yang terpolarisasi di sepanjang lingkaran kanan dan kiri.
Mengingat bahwa pendaran logam transisi kehilangan dichroismnya yang melingkar di atas suhu Curie, pengamatan dichroism yang kuat pada 300 K menunjukkan bahwa Fe: MoS 2 tetap bersifat feromagnetik pada suhu kamar.

Gambar 4c menunjukkan emisi MCD terkait-Fe sebagai fungsi untuk meningkatkan (titik-titik biru) dan mengurangi (titik-titik merah) medan magnet dalam kisaran dari T3 T hingga 3 T pada 4 K. Lingkaran histeresis yang diucapkan dengan jelas mengidentifikasi sifat feromagnetik dari radiasi PL yang terkait dengan dengan besi.

Gambar 4d menunjukkan bahwa monolayer Fe: MoS 2 menunjukkan loop histeresis M - H baik pada suhu 5 K dan pada suhu kamar. Ini menegaskan bahwa lapisan tunggal yang disintesis Fe: MoS 2mendemonstrasikan feromagnetisme bahkan pada 300 K.

Kesimpulannya, para ilmuwan melakukan magnetometri dari mono lapisan Fe: MoS 2 untuk memperkirakan kekuatan lokal dari medan feromagnetik pada suhu kamar menggunakan metode ODMR (deteksi resonansi magnetik optik).


Gambar No. 5

Spektrum ODMR contoh untuk Fe: MoS 2 dan MoS 2 ditunjukkan dalam 5a . Pada 5b menunjukkan histogram pemisahan Zeeman dari energi yang disimpan dalam 24 dan 20 titik monolayer yang berbeda Fe: MoS 2 dan MoS masing-masing tidak memiliki undoped 2 . Analisis statistik menunjukkan bahwa pemisahan energi rata-rata pada Fe: MoS 2 meningkat ~ 11 MHz dibandingkan dengan MoS murni2 . Dari data ini, ditemukan bahwa medan magnet lokal sampel dapat mencapai 0,5 ± 0,1 mT. Indikator ini dekat dengan yang diukur dalam ferromagnet 2D CrI 3 dan CrBr 3 pada suhu cryogenic.

Fakta bahwa Fe: MoS 2 menunjukkan medan magnet lokal yang besar pada suhu kamar merupakan bukti nyata bahwa material ini tetap mempertahankan magnetisasinya. Oleh karena itu, dapat disimpulkan dari data bahwa monolayer Fe: MoS 2 dengan atom Fe tertanam bertindak sebagai semikonduktor magnetik encer yang menunjukkan feromagnetisme pada suhu kamar.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sarankan Anda membaca laporan para ilmuwandan bahan tambahan untuk itu.

Epilog


Perkembangan teknologi dan perangkat terkait sering dikaitkan dengan kenyamanan mereka yang menggunakannya. Perangkat modern menjadi lebih kecil, tetapi tidak ada banyak kekompakan. Namun, tidak peduli bagaimana pengguna ingin meminimalkan dimensi gadget favorit mereka, proses ini dibatasi oleh dimensi interior perangkat ini.

Para penulis penelitian ini mencatat bahwa transistor klasik tidak dapat berkurang tanpa batas, yang konsisten dengan hukum logika dan fisika. Namun demikian, jika klasik tidak berhasil, maka Anda dapat melihat ke arah modernitas, yang telah dilakukan para ilmuwan. Dalam karya mereka, mereka menggambarkan tipe baru semikonduktor Fe: MoS 2menggabungkan sifat-sifat semikonduktor dan feromagnet. Dalam proses penciptaannya, atom besi mendorong atom molibdenum, sehingga dapat dikatakan, menggantikan tempatnya. Hasil dari proses ini adalah sangat tipis (hanya dua atom tebal) dan bahan fleksibel yang mempertahankan magnetisasi pada suhu kamar.

Seperti yang dikatakan para peneliti sendiri, penemuan mereka tidak mematuhi hukum Moore yang terkenal, karena itu tidak terkait dengan penskalaan fisik. Dalam karya mereka, mereka menggambarkan kemampuan untuk menggunakan tidak hanya muatan elektron, tetapi juga putarannya, yang memperluas kemungkinan teknologi masa depan.

Dasar perangkat masa depan, fleksibel, ringan dan transparan, menurut para ilmuwan, dapat berupa pemahaman dan kontrol penuh atas sifat-sifat bahan dari mana mereka akan dibuat.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan. :)

Sedikit iklan :)


Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda, cloud VPS untuk pengembang dari $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?

More articles:


All Articles