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Microminiaturização: semicondutor magnético de dois átomos



Desde os primeiros telefones celulares, que pesavam até um quilograma e trabalhavam na energia por meia hora sem recarregar, no mundo da tecnologia houve muitas melhorias úteis, invenções inovadoras e descobertas revolucionárias. Com o tempo, os gadgets que usamos quase todos os dias se tornam menores em tamanho, mas mais em termos de desempenho. Esse processo inevitavelmente ficará parado, uma vez que os transistores clássicos não podem diminuir indefinidamente, independentemente do que os designers de novos smartphones ou tablets exijam. Portanto, você precisa abandonar os clássicos e criar algo completamente novo, o que foi feito por cientistas do Stevens Institute of Technology (EUA). Hoje, examinamos um estudo no qual eles descrevem um semicondutor magnético atomicamente fino, capaz de não apenas usar uma carga de elétrons,mas também a sua rotação. O que formou a base do novo semicondutor, como foi criado e quão produtiva é essa novidade revolucionária? Um relatório de cientistas nos dirá sobre isso. Vai.

Base de estudo


Spin é o momento angular intrínseco das partículas elementares. A Spintronics, por sua vez, é um ramo da eletrônica quântica que lida com o estudo da transferência de corrente de rotação em materiais sólidos. Em outras palavras, em contraste com a eletrônica clássica, na spintrônica, a transferência de informações ocorre através da corrente de rotação.

No aspecto da criação de novos dispositivos, muitos cientistas estão tentando obter controle completo sobre portadores de carga polarizados por rotação. Uma opção para atingir esse objetivo é um semicondutor magnético diluído (DMS ou DMS de semicondutores magnéticos diluídos) Um semicondutor magnético convencional combina as propriedades de ferromagnetos e semicondutores. Mas um semicondutor diluído (ou semi-magnético) é essencialmente um semicondutor não magnético no qual um certo número de átomos paramagnéticos está incorporado. Por exemplo, a liga de elementos de metais de transição, como ferro (Fe) e manganês (Mn), em semicondutores a granel não magnéticos permite obter DMS.

A questão é que esses DMS, embora apresentem excelentes resultados, mas funcionem em temperaturas muito específicas. Por exemplo, o ponto de Curie para um semicondutor magnético diluído (Ga, Mn) como com uma concentração de dopagem de 5% com manganês é atingido a 110 K, ou seja, a -163,15 ° C. Nesse sentido, os cientistas estão tentando fazer com que o DMS funcione à temperatura ambiente, a fim de tirar proveito total de suas vantagens fora do laboratório.

A descoberta relativamente recente de ferromagnetismo em camadas atomicamente finas bidimensionais (2D), como CrI 3 (triiodeto de cromo) e Cr 2 Ge 2 Te 6 (telureto de cromo-germânio) mudou o foco da pesquisa de cristais a granel para materiais bidimensionais.

Monocamadasdichalcogenetos de metais de transição (DPM) * na forma de semicondutores atomicamente finos exibem propriedades elétricas e ópticas únicas que dependem diretamente da espessura. No entanto, as monocamadas de PDM permanecem não magnéticas em sua própria forma.
Os dichalcogenetos de metais de transição (DPM) * são um semicondutor fino de monocamada que consiste em um metal de transição e calcogênio (oxigênio, enxofre, selênio, telúrio, polônio ou minhoca). Uma camada de átomos de metal está localizada entre duas camadas de átomos de calcogênio, que pode ser expressa pela fórmula MX2 (M - metal e X - calcogênio).
A dopagem de DPMs, como vanádio (V), Mn e Fe, e sua transformação em um semicondutor magnético diluído atomicamente fino (RMP) nos permitiria estudar o acoplamento magnético em estruturas confinadas bidimensionais. Apesar de os PDMs serem limitados pela solubilidade e estabilidade química, eles podem ser dopados até certo ponto em RMPs de camada única. No entanto, em tais experiências, o ferromagnetismo não foi demonstrado.

Apesar disso, a dopagem com Mn a 2% nas monocamadas Mn: MoS 2 cultivadas em substrato de grafeno e a (Re) dopagem com rênio a 1% na monocamada Re: MoS 2 demonstraram a supressão das emissões a baixas temperaturas associadas a defeitos. Portanto, há uma chance de realizar totalmente PDMs de monocamada.

Estudos anteriores foram realizados nos quais os cientistas tentaram implementar uma tarefa tão difícil como um semicondutor magnético diluído baseado no PDM, mas os resultados desses trabalhos não foram particularmente satisfatórios.

No estudo que estamos considerando hoje, ainda conseguimos alcançar um resultado positivo na forma de um doping substitucional bem-sucedido de átomos de Fe na monocamada MoS 2 .

Resultados da pesquisa


Dopagem com ferro (Fe) a monocamada de MoS 2 foi realizada cultivando MoS 2 e Fe 3 O 4 por deposição de vapor químico.

Para eliminar os efeitos das deformações locais no substrato, as monocamadas de MoS 2 e Fe: MoS 2 foram encapsuladas em hBN de película fina (nitreto de boro hexagonal).


Imagem # 1

Imagem 1a mostra uma imagem de SEM Fe (microscópio de exploração de electrões): MoS 2 monocamadas . Vemos domínios triangulares semelhantes a ilhas, o que é bastante típico para métodos de síntese semelhantes de MoS 2 .

Imagem 1bmostra uma representação esquemática das estruturas atômicas das monocamadas de Fe: MoS 2 (vistas superior e lateral). Como a substituição dos átomos de Fe pelos sítios de Mo é termodinamicamente favorável (isto é, a reação não requer energia para ocorrer), um átomo dopante de Fe substitui um átomo de Mo no cristal MoS 2 .

A Figura 1c mostra uma imagem PREM (microscópio eletrônico de varredura de transmissão) de uma monocamada Fe: MoS 2. Comparado aos átomos de Mo (Z = 42), o Fe (Z = 26) possui um número atômico (ou seja, o número de carga - o número de prótons no núcleo atômico) é 40% menor. Como a intensidade dos elétrons dispersos depende do número atômico, era esperado que os átomos de Fe produzissem uma intensidade relativa mais baixa, o que é claramente observado nos átomos de Fe substituídos na imagem SEM.

A varredura PEM correspondente da intensidade ( 1d ) indica que o coeficiente de intensidade é 0,38, o que é consistente com estudos anteriores.

Para confirmar com precisão o crescimento de domínios de monocamada de Fe: MoS 2, as amostras foram verificadas por microscopia de força atômica (AFM). Essa técnica nos permitiu confirmar que, após a limpeza úmida e o recozimento térmico, nenhuma partícula de Fe3O4 permaneceu lá após a dopagem na superfície do Fe: MoS 2 .

Uma análise óptica do Fe: MoS 2 foi realizada a seguir , fornecendo evidências adicionais de que o Fe foi incorporado com sucesso na rede de monocamada. A espectroscopia Raman de Fe: MoS 2 demonstrou dois modos de vibração característicos típicos das monocamadas MoS 2 em E 1 2g = 385,4 cm -1 (vibração no plano dos átomos de Mo e S) e A 1g = 405,8 cm -1(vibração fora do plano dos átomos de S). A introdução de ferro causa uma extensão da largura da linha Raman de 5,8 ± 0,1 para 7,6 ± 0,1 cm -1 para A 1g e de 4 ± 0,1 para 4,5 ± 0,1 cm -1 para E 1 2g .

Alterações na estrutura da monocamada foram adicionalmente estudadas comparando os espectros de fotoluminescência à temperatura ambiente das monocamadas de MoS 2 e Fe: MoS 2 . O forte resfriamento observado da fotoluminescência é explicado por canais de recombinação não-radiativos adicionais (estados de captura), que são devidos ao doping, o que confirma a incorporação bem-sucedida de Fe. Evolução da intensidade da fotoluminescência em função da temperatura para as monocamadas Fe: MoS 2 e MoS2 é mostrado em 1e e 1f, respectivamente.


Imagem No. 2 A

Imagem 2a mostra a emissão fotoluminescente (PL) de baixa temperatura das monocamadas Fe: MoS 2 e MoS 2 em uma faixa de energia mais ampla, incluindo o modo de intervalo de banda. Ao comparar o PL das monocamadas Fe: MoS 2 e MoS 2 , o pico de emissão em 2,28 eV se torna óbvio.

O gráfico 2b mostra a emissão de Fe: MoS 2para três triângulos diferentes, mostrando mudanças significativas na intensidade no pico de 2,28 eV. A razão para essas alterações pode ser a diferença na concentração do dopante (Fe) entre esses triângulos de orientação diferente.

Além disso, para excluir os modos Raman vibracionais locais associados ao Fe como fonte da transição elétron - buraco * , os espectros ópticos foram registrados na região do pico de 2,28 eV. Nesse caso, o comprimento de onda do laser foi ajustado de 405 nm ( 2c ) para 532 nm ( 2d ).
A transição elétron-buraco * é a área de contato de dois semicondutores com diferentes condutividades - buraco (positivo) e elétron (negativo).
Uma comparação dos resultados mostrou que a posição do pico não muda. Isso confirma que a radiação observada associada ao ferro não é causada pelo modo vibracional Raman, que mudaria em relação à energia do laser.


Imagem No. 3

Para investigar a origem do pico de PL associado ao ferro a 2,28 eV, os pesquisadores usaram o DFT (teoria funcional da densidade) para calcular a estrutura eletrônica do Fe: MoS 2 .

Uma dopagem isolado Fe impureza foi modelada como a substituição de um átomo de Mo por um átomo de Fe em um 5 × 5 MoS 2 super célula ( 3a ).

Em 3bA estrutura das zonas polarizadas por rotação para este sistema é mostrada, onde a área de cada círculo azul (ou verde) é proporcional à sobreposição do estado com rotação para cima (ou para baixo) e uma esfera de raio 1,3 Å centralizada no átomo de Fe. O gráfico mostra que a presença de Fe introduz estados que se encontram dentro do intervalo de banda intocado do MoS 2 . E o fato de os grandes círculos azuis e verdes dentro da banda proibida não se sobreporem indica que o Fe induz um momento magnético.

A Figura 3c mostra uma comparação das taxas de emissão espontânea da banda de condução com o spin up e a banda de condução do MoS 2 primitivo . A menor energia de radiação para o estado inicial de MoS 2é ~ 1,79 eV, o que corresponde a um grande pico de PL em 2a , que surge como resultado do relaxamento em todo o intervalo da banda. A presença de Fe introduz outra transição significativa com uma energia de ~ 2,32 eV, que corresponde ao pico observado experimentalmente da emissão de Fe: MoS 2 em 2,28 eV.

O valor esperado do pico de PL é muito menor do que o mostrado em 3c , pois qualquer orifício na banda de valência restante da excitação a laser relaxa muito rapidamente sem radiação até o máximo da banda de valência. Portanto, os orifícios passam muito pouco tempo no estado da faixa de valência correspondente à transição de 2,28 eV, o que torna essa transição muito menos provável que a transição para o máximo da banda de valência.


Imagem No. 4

Na etapa seguinte do estudo, as características magnéticas das monocamadas de Fe: MoS 2 foram avaliadas .

Sabe-se que a radiação óptica de complexos de íons de metais de transição geralmente ocorre como resultado da transferência de carga entre ligantes e um metal de transição. O momento angular de rotação de um elétron em um íon é altamente dependente da polarização devido às regras para a seleção da rotação da luz polarizada circularmente. Assim, os íons de metais de transição exibem uma quantidade desigual de absorção de luz por excitação com polarização circular esquerda e direita.

No nível atômico, a absorção de luz está intimamente relacionada às mudanças de Zeeman induzidas magneticamente. Portanto, a realização de espectroscopia MCD (dicroísmo circular magnético) pode dar uma idéia das propriedades magnéticas do material.

Gráficos4a e 4b mostram os espectros PL de Fe: MoS 2 por excitação pela luz polarizada circularmente oposta, tanto a 4 K como à temperatura ambiente. A radiação associada ao Fe mostra um forte dicroísmo circular * (ρ ≈ 40%) tanto a 4 K quanto à RT.
Dicroísmo circular * - a diferença entre os coeficientes de absorção da luz polarizados ao longo dos círculos direito e esquerdo.
Considerando que a luminescência dos metais de transição perde seu dicroísmo circular acima da temperatura de Curie, a observação de forte dicroísmo a 300 K sugere que o Fe: MoS 2 permanece ferromagnético à temperatura ambiente.

A Figura 4c mostra a emissão de MCD relacionada ao Fe como uma função do campo magnético crescente (pontos azuis) e decrescente (pontos vermelhos) na faixa de -3 T a 3 T a 4 K. O loop de histerese pronunciado identifica claramente a natureza ferromagnética da radiação PL associada a com ferro.

A Figura 4d mostra que as monocamadas de Fe: MoS 2 exibem um laço de histerese M - H pronunciado tanto a 5 K quanto à temperatura ambiente. Isso confirma que as monocamadas sintetizadas Fe: MoS 2demonstram ferromagnetismo mesmo a 300 K.

Em conclusão, os cientistas realizaram magnetometria de monocamadas de Fe: MoS 2 para estimar a força local do campo ferromagnético à temperatura ambiente usando o método ODMR (detecção óptica de ressonância magnética).


Imagem No. 5

Um exemplo de espectro ODMR para Fe: MoS 2 e MoS 2 é mostrado em 5a . Em 5b mostra um histograma da divisão de Zeeman da energia armazenada na monocamada de 24 e 20 pontos diferentes Fe: MoS 2 e MoS não dopados 2, respectivamente. A análise estatística mostra que a divisão média de energia em Fe: MoS 2 aumentou em ~ 11 MHz em comparação com o MoS puro2 . A partir desses dados, verificou-se que o campo magnético local da amostra pode atingir 0,5 ± 0,1 mT. Este indicador é próximo ao medido nos ferromagnetos 2D CrI 3 e CrBr 3 à temperatura criogênica.

O fato de Fe: MoS 2 exibir um grande campo magnético local à temperatura ambiente é uma evidência clara de que este material reteve sua magnetização. Portanto, pode-se concluir a partir dos dados que as monocamadas de Fe: MoS 2 com átomos de Fe incorporados atuam como semicondutores magnéticos diluídos que exibem ferromagnetismo à temperatura ambiente.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistase materiais adicionais para ele.

Epílogo


O desenvolvimento de tecnologias e dispositivos relacionados é frequentemente associado ao conforto de quem os utiliza. Os dispositivos modernos estão se tornando menores, mas não há muita compactação. No entanto, não importa como os usuários desejem minimizar as dimensões de seus gadgets favoritos, esse processo é limitado pelas dimensões dos interiores desses dispositivos.

Os autores deste estudo observam que os transistores clássicos não podem diminuir infinitamente, o que é consistente com as leis da lógica e da física. No entanto, se os clássicos não funcionam, então você pode olhar na direção da modernidade, o que os cientistas fizeram. Em seu trabalho, eles descreveram um novo tipo de semicondutor Fe: MoS 2combinando as propriedades de um semicondutor e um ferro-ímã. No processo de sua criação, os átomos de ferro empurram os átomos de molibdênio, por assim dizer, substituindo-os. O resultado desse processo é muito fino (apenas dois átomos de espessura) e um material flexível que retém a magnetização à temperatura ambiente.

Como dizem os próprios pesquisadores, sua invenção não obedece à conhecida lei de Moore, uma vez que não está relacionada à escala física. Em seu trabalho, eles descreveram a capacidade de usar não apenas a carga de um elétron, mas também sua rotação, o que amplia as possibilidades de tecnologias futuras.

A fundação de dispositivos do futuro, flexíveis, leves e transparentes, segundo os cientistas, pode ser um completo entendimento e controle das propriedades dos materiais a partir dos quais eles serão feitos.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal. :)

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