Со времен первых сотовых телефонов, которые весили до одного килограмма и работали от силы пол часа без подзарядки, в мире технологий произошло множество полезных усовершенствований, новаторских изобретений и революционных открытий. С течением времени гаджеты, которые мы используем практически каждый день, становятся меньше в габаритах, но больше в аспекте производительности. Этот процесс неминуемо движется в тупик, поскольку классические транзисторы не могут уменьшаться бесконечно, что бы там не требовали дизайнеры новых смартфонов или планшетов. Следовательно, нужно отказаться от классики и создать нечто совершенно новое, что и сделали ученые из технологического института Стивенса (США). Сегодня мы рассмотрим исследование, в котором они описывают атомарно тонкий магнитный полупроводник, способный не только использовать заряд электрона, но и его спин. Что легло в основу нового полупроводника, как он был создан, и насколько производительна эта революционная новинка? Об этом нам расскажет доклад ученых. Поехали.

Основа исследования

Спин это собственный момент импульса элементарных частиц. Спинтроника в свою очередь является разделом квантовой электроники, которая занимается изучением спинового токопереноса в твердотельных веществах. Другими словами, в отличие от классической электроники, в спинтронике перенос информации происходит посредством тока спинов.

В аспекте создания новых устройств многие ученые стараются получить полный контроль над спин-поляризованными носителями заряда. Одним из вариантов достижения этой цели является разбавленный магнитный полупроводник (РМП или DMS от dilute magnetic semiconductors). Обычный магнитный полупроводник объединяет в себе свойства ферромагнетиков и полупроводников. А вот разбавленный (или полумагнитный полупроводник) по сути является немагнитным полупроводником, в который внедрили определенное число парамагнитных атомов. К примеру, легирование элементов переходных металлов, таких как железо (Fe) и марганец (Mn), в немагнитные объемные полупроводники позволяет получить DMS.

Вопрос заключается в том, что эти DMS, хоть и показывают отличные результаты, но работают при весьма специфических температурах. Например, точка Кюри для разбавленного магнитного полупроводника (Ga,Mn)As с концентрацией легирования марганцем 5% достигается при 110 К, т.е. при -163.15 °C. В связи с этим ученые пытаются заставить DMS работать при комнатных температурах, чтобы полноценно воспользоваться их достоинствами за пределами лабораторий.

Относительно недавнее открытие ферромагнетизма в двумерных (2D) атомарно тонких слоях, таких как CrI₃ (трийодид хрома) и Cr₂Ge₂Te₆ (теллурид хрома-германия) сместило акцент исследований от объемных кристаллов к двумерным материалам.

Монослои дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ)* в виде атомарно тонких полупроводников демонстрируют уникальные электрические и оптические свойства, которые напрямую зависят от толщины. Однако монослои ДПМ остаются немагнитными в своей собственной форме.

Дихалькогениды переходных металлов (ДПМ)* — это тонкий монослойный полупроводник, состоящий из переходного металла и халькогена (кислорода, серы, селена, теллура, полония или ливермория). Один слой атомов металла располагается между двумя слоями атомов халькогена, что можно выразить формулой MX2 (М — металл и Х — халькоген).

Легирование ДПМ, таких как ванадий (V), Mn и Fe, и преобразование его в атомарно тонкий разбавленный магнитный полупроводник (РМП) позволило бы исследовать магнитную связь в двухмерных ограниченных структурах. Несмотря на то, что ДПМ ограничены растворимостью и химической стабильностью, они могут быть в некоторой степени легированы в однослойные РМП. Тем не менее, в ходе таковых экспериментов ферромагнетизм не был продемонстрирован.

Несмотря на это, 2% Mn легирование в монослоях Mn:MoS₂, выращенных на графеновой подложке, и 1% рений (Re) легирование в монослое Re:MoS₂ продемонстрировали подавление эмиссии при низких температурах, связанной с дефектами. Следовательно, есть шанс полноценно реализовать монослойные ДПМ.

Ранее уже проводились исследования, в которых ученые пытались реализовать столь сложную задачу, как разбавленный магнитный полупроводник на основе ДПМ, но результаты этих трудов были не особо удовлетворительны.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании все же удалось достичь положительного результата в виде успешного замещающего легирования атомов Fe в монослои MoS₂.

Результаты исследования

Легирование железом (Fe) монослоя MoS₂ осуществлялось путем выращивания MoS₂ и Fe₃O₄ методом химического осаждения из газовой фазы.

Чтобы устранить эффекты локальных деформаций в субстрате, монослои MoS₂ и Fe:MoS₂ были инкапсулированы в тонкопленочный hBN (гексагональный нитрид бора).


Изображение №1

На изображении 1а показан РЭМ (растровый электронный микроскоп) снимок монослоев Fe:MoS₂. Мы видим треугольные островоподобные домены, что вполне типично для подобных методов синтеза MoS₂.

Изображение 1b показывает схематическое представление атомных структур монослоев Fe: MoS₂ (вид сверху и сбоку). Поскольку замещение атомами Fe участков Мо является термодинамически благоприятным (т.е. реакция не требует энергии, чтобы произойти), один атом легирующей примеси Fe заменяет один атом Mo в кристалле MoS₂.

На 1с показан ПРЭМ (просвечивающий растровый электронный микроскоп) снимок монослоя Fe: MoS₂. По сравнению с атомами Мо (Z = 42), Fe (Z = 26) имеет атомный номер (т.е. зарядовое число — количество протонов в атомном ядре) на 40% меньше. Поскольку величина интенсивности рассеянных электронов зависит от атомного номера, ожидалось, что атомы Fe будут вырабатывать более низкую относительную интенсивность, что отчетливо видно для замещенных атомов Fe на ПРЭМ снимке.

Соответствующее ПРЭМ сканирование интенсивности (1d) указывает на то, что коэффициент интенсивности равен 0.38, что согласуется с ранее проведенными исследованиями.

Для точного подтверждения роста монослойных доменов Fe:MoS₂, образцы были проверены с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Данная методика позволила подтвердить, что после влажной очистки и термического отжига на поверхности Fe:MoS₂ не содержится каких-либо частиц Fe3O4, оставшихся там после легирования.

Следом был проведен оптический анализ Fe:MoS₂, который позволил получить дополнительные доказательства того, что Fe успешно внедрены в решетку монослоя. Рамановская спектроскопия Fe:MoS₂ продемонстрировала две типичные характерные моды колебаний монослоев MoS₂ при E¹_2g= 385.4 см^-1 (вибрация в плоскости атомов Mo и S) и A_1g = 405.8 см^-1 (внеплоскостная вибрация атомов S). Внедрение железа вызывает расширение ширины линии комбинационного рассеяния от 5.8 ± 0.1 до 7.6 ± 0.1 см -1 для A_1g и от 4 ± 0.1 до 4.5 ± 0.1 см^-1 для E¹_2g.

Изменения в решетке монослоя были дополнительно изучены посредством сравнения спектров фотолюминесценции при комнатной температуре монослоев MoS₂ и Fe:MoS₂. Наблюдаемое сильное гашение фотолюминесценции объясняется дополнительными безызлучательными каналами рекомбинации (состояниями захвата), которые обусловлены легированием, что подтверждает успешное внедрение Fe. Эволюция интенсивности фотолюминесценции в зависимости от температуры для монослоев Fe:MoS₂ и MoS₂ показана на 1e и 1f соответственно.


Изображение №2

На изображении 2а показана низкотемпературная фотолюминесцентная (ФЛ) эмиссия монослоев Fe:MoS₂ и MoS₂ в более широком диапазоне энергий, в том числе и в режиме запрещенной зоны. При сравнении ФЛ монослоев Fe:MoS₂ и MoS₂ становится очевидным пик излучения при 2.28 эВ.

На графике 2b показано излучение Fe:MoS₂ для трех различных треугольников, демонстрирующее значительные изменения интенсивности на пике 2.28 эВ. Причиной этих изменений может быть разница в концентрации легирующей примеси (Fe) между этими разноориентированными треугольниками.

Далее, чтобы исключить связанные с Fe локальные колебательные рамановские моды в качестве источника электронно-дырочного перехода*, были записаны оптические спектры в области пика 2.28 эВ. При этом длина волны лазера регулировалась от 405 нм (2c) до 532 нм (2d).

Электронно-дырочный переход* — участок соприкосновения двух полупроводников с разной проводимостью — дырочной (положительной) и электронной (отрицательной).

Сравнение результатов показало, что положение пика не меняется. Это подтверждает, что наблюдаемое излучение, связанное с железом, не вызвано рамановской колебательной модой, которая бы сдвигалась относительно энергии лазера.


Изображение №3

Чтобы исследовать происхождение пика ФЛ, связанного с железом, при 2.28 эВ, исследователи использовали DFT (теорию функционала плотности) для расчета электронной структуры Fe:MoS₂.

Изолированная легирующая примесь Fe была смоделирована в виде замены одного атома Mo на атом Fe в 5х5 суперячейке MoS₂ (3а).

На 3b показана структура спин-поляризованных зон для этой системы, где площадь каждого синего (или зеленого) круга пропорциональна перекрытию состояния со спином вверх (или вниз) и сферы радиусом 1.3 A с центром в атоме Fe. График показывает, что присутствие Fe вводит состояния, которые лежат внутри нетронутой запрещенной зоны MoS₂. А тот факт, что большие синие и зеленые круги внутри запрещенной зоны не перекрываются, указывает на то, что Fe индуцирует магнитный момент.

На графике 3с показано сравнение скоростей спонтанного излучения зоны проводимости со спином вверх и зоны проводимости нетронутого MoS₂. Наименьшая энергия излучения для первоначального состояния MoS₂ составляет ~ 1.79 эВ, что соответствует большому пику ФЛ на 2а, который возникает в результате релаксации по всей ширине запрещенной зоны. Присутствие Fe вводит еще один значительный переход с энергией ~ 2.32 эВ, что соответствует экспериментально наблюдаемому пику ФЛ эмиссии Fe:MoS₂ при 2.28 эВ.

Ожидаемая величина пика ФЛ намного меньше, чем показано на 3с, поскольку любая дырка в валентной зоне, оставшаяся от лазерного возбуждения, очень быстро релаксирует без излучения до максимума валентной зоны. Поэтому дырки будут проводить очень мало времени в состоянии валентной зоны, соответствующем переходу 2.28 эВ, что делает этот переход гораздо менее вероятным, чем переход до максимума валентной зоны.


Изображение №4

На следующем этапе исследования была проведена оценка магнитных характеристик монослоев Fe:MoS₂.

Известно, что оптическое излучение от комплексов ионов переходных металлов обычно возникает в результате переноса заряда между лигандами и переходным металлом. Спиновый угловой момент электрона в ионе сильно зависит от поляризации из-за правил отбора спина циркулярно поляризованного света. Таким образом, ионы переходных металлов демонстрируют неодинаковое количество поглощения света при возбуждении с левой и правой круговой поляризацией.

На атомном уровне поглощение света тесно связано с магнитоиндуцированными зеемановскими сдвигами. Следовательно, выполнение MCD-спектроскопии (магнитный круговой дихроизм) может дать представление о магнитных свойствах материала.

Графики 4а и 4b показывают ФЛ спектры Fe:MoS₂ при возбуждении противоположным циркулярно поляризованным светом как при 4 K, так и при комнатной температуре. Излучение, связанное с Fe, показывает сильный круговой дихроизм* (? ? 40%) как при 4 K, так и при RT.

Круговой дихроизм* — различие между коэффициентами поглощения света, поляризованного по правому и левому кругу.

Учитывая, что свечение переходных металлов теряет свой круговой дихроизм выше температуры Кюри, наблюдение сильного дихроизма при 300 K предполагает, что Fe:MoS₂ остается ферромагнитным при комнатной температуре.

На графике 4с показана связанная с Fe эмиссия MCD в зависимости от возрастающего (синие точки) и уменьшающегося (красные точки) магнитного поля в диапазоне от ?3 Т до 3 Тл при 4 К. Ярко выраженная петля гистерезиса четко идентифицирует ферромагнитную природу излучения ФЛ, связанного с железом.

На 4d видно, что монослои Fe:MoS₂ демонстрируют выраженную петлю гистерезиса M – H как при 5 К, так и при комнатной температуре. Это подтверждает, что синтезированные монослои Fe:MoS₂ демонстрируют ферромагнетизм даже при 300 К.

В заключение ученые провели магнитометрию монослоев Fe:MoS₂ для оценки локальной силы ферромагнитного поля при комнатной температуре методом ODMR (оптическое детектирование магнитного резонанса).


Изображение №5

Примерный спектр ODMR для Fe:MoS₂ и MoS₂ показан на 5а. На 5b показана гистограмма зеемановских расщеплений энергии, записанных в 24 и 20 различных точках монослоя Fe:MoS₂ и нелегированного MoS₂ соответственно. Статистический анализ показывает, что среднее расщепление энергии на Fe:MoS₂ увеличилось на ~11 МГц по сравнению с чистым MoS₂. Из этих данных удалось установить, что локальное магнитное поле образца может достигать 0.5 ± 0.1 мТл. Этот показатель близок к измеренным в 2D-ферромагнетиках CrI₃ и CrBr₃ при криогенной температуре.

Тот факт, что Fe: MoS₂ демонстрирует большое локальное магнитное поле при комнатной температуре, является четким свидетельством того, что этот материал сохранил свою намагниченность. Следовательно, из данных можно сделать вывод, что монослои Fe:MoS₂ с внедренными атомами Fe действуют как разбавленные магнитные полупроводники, демонстрирующие ферромагнетизм при комнатной температуре.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Развитие технологий и соответствующих устройств часто сопряжено с комфортом тех, кто ими будет пользоваться. Современные устройства становятся все миниатюрнее, но компактности много не бывает. Однако, как бы пользователи ни желали минимизировать габариты любимых гаджетов, этот процесс ограничен размерами внутренностей этих устройств.

Авторы сего исследования отмечают, что классические транзисторы не могут уменьшаться бесконечно, что вполне соответствует как законам логики, так и физики. Тем не менее, если классика не работает, то можно обратить свой взор в сторону модерна, что и сделали ученые. В своем труде они описали новый тип полупроводника Fe:MoS₂, объединяющем в себе свойства полупроводника и ферромагнетика. В процессе его создания атомы железа так сказать выталкивают атомы молибдена, занимая их место. Результатом этого процесса является очень тонкий (всего два атома в толщину) и гибкий материал, сохраняющий намагниченность при комнатной температуре.

Как говорят сами исследователи, их изобретение не подчиняется известному многим закону Мура, поскольку оно не связано с физическим масштабированием. В своем труде они описали возможность использовать не только заряд электрона, но и его спин, что расширяет возможности будущих технологий.

Фундаментом устройств будущего, гибких, легких и прозрачных, по мнению ученых, может быть полное понимание и контроль свойств материалов, из которых они будут сделаны.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы :)

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?