原始磁性材料和鄰近感應磁性材料中的自旋極化帶是未來設備的有前途的構建模塊。從概念上講，新的存儲器、邏輯和神經形態設備是基于原子級薄磁性材料以及通過電學和光學方法操縱其自旋極化帶而構想出來的。剩下的一個關鍵問題是范德華異質結構中磁耦合效應的直接探測和優化使用，這需要對原子薄磁性材料和器件進行進一步精細設計。在這里，我們報告了一種在反應性反鐵磁材料 CrI
3上具有磁化單層石墨烯的自旋選擇性薄膜晶體管。石墨烯和CrI
3原子層之間的自旋相關雜化使得單層石墨烯中的自旋選擇性帶隙打開以及特定CrI
3層中磁化的電場控制成為可能。我們的第一性原理計算和運輸數據的理論分析闡明了微觀工作原理。我們通過電氣手段對磁鄰近效應進行微妙的操縱，實現了可靠的記憶晶體管操作（即存儲器和邏輯器件組合操作）以及磁化石墨烯中朗道能級的自旋選擇性探針。
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圖1. CrI
3上石墨烯中的自旋相關帶雜交。a) 基于 1L-石墨烯/6L-CrI 3 /1L-石墨烯結構的記憶晶體管示意圖。b) 我們的記憶晶體管的光學顯微鏡圖像。c) 隧道電阻作為所施加磁場的函數，在 CrI 3層中表現出自旋翻轉。d) DFT 計算的電荷密度差圖
，其中顏色圖顯示 (100) 平面上 Δρ 的平均值。藍色、棕色和灰色球體分別代表 Cr、I 和 C 原子。e) DFT 計算的自旋密度差，其中藍色和紅色分別表示多數和少數自旋密度。f) 計算得到的石墨烯/CrI 3異質結構的能帶色散。紅點和藍點分別顯示具有向上和向下自旋的石墨烯投影組件。它們的點大小和顏色強度表示放大的投影比率。
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圖2. CrI 3上石墨烯的隧道傳輸和帶隙打開。a)不同V top值下隧道電流與V b的函數關系。插圖放大了虛線框標記的隧道電流。b) V b = −0.3 V 時的傳輸曲線。 c) 計算出的傳輸曲線，由電子自旋分解。紅色和藍色曲線表示石墨烯隧道電流的上下自旋分量。綠色曲線顯示總隧道電流，對應于 (a) 中的傳輸曲線。d,e) 憶阻器中通道的兩個能帶圖，對應于 (b) 中標記的兩個V頂部范圍（“I”和“II”）。隨著V top (d)的增加，t-Gr 變得更加n 摻雜，勢壘高度降低。當我們進一步增加V top (e)時，t-Gr 的費米能??級接近帶隙能量。
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圖3. CrI 3上石墨烯中的自旋極化光致發光。d I /d V g映射為V top和磁場的函數，其中 a) V b = −0.2 V 和 b) V b = 0.2 V。d I /d V g映射中顯示了清晰的 LL 條紋，其中不同的 LL 斜率出現在兩個區域（區域 1 和區域 2）。區域 1 中的 LL 是在石墨烯的線性能帶色散中產生的，而區域 2 中的 LL 是由雜化的自旋選擇性能帶產生的。綠色垂直虛線上 LL 的斜率變化表明 t-Gr 中與 CrI 3雜交的帶在 t-Gr 中形成不同的 LL 形成。c) CrI 3上磁化石墨烯中的示意性LL 。黑色虛線描繪了 CrI 3上石墨烯的雜化自旋帶。紅色圓圈表示大量狄拉克色散中的 LL，而藍色圓圈表示具有非雜化線性色散的原始石墨烯中的 LL。
圖4. 自旋選擇性記憶晶體管。a)磁場為 0.7、0.8 和 0.9 T 的I - V頂部曲線，顯示了我們的自旋選擇性記憶晶體管中自旋翻轉的電控制。需要較高的V top才能用較低的磁場觸發自旋翻轉。b) 將閾值V top外推為磁場的函數，顯示出線性關系。c)不同V b下的I – V top曲線，表明自旋翻轉由V top主導。d）摻雜相關的層間交換相互作用的計算結果。凈相互作用J inter由不同層的 Cr 離子之間的相互作用之和給出。e）電荷轉移引起的反鐵磁層間耦合減少的示意圖。f) 通過V頂部脈沖實現可靠的記憶晶體管操作。寫入、讀取和擦除操作可以通過V 。
相關科研成果由韓國科學技術院Heejun Yang, Myung Joon Han和北京理工大學Shoujun Zheng等人于2024年發表在Advanced Materials（https://doi.org/10.1002/adma.202310291）上。原文：Spin-Selective Memtransistors with Magnetized Graphene
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202310291
轉自《石墨烯研究》公眾號
