BLG/SL-MoSe2 헤테로스택의 자기저항 극성 변조

결과 및 토론

BLG의 스핀 밸브 접합부

우리의 결과에서 수직 SVJ에서 BLG는 Co 전극과 NiFe 전극 사이에 끼워져 있습니다. 그 개략도는 그림 1a에 나와 있습니다. 그림 S1a에서 부유 영역의 라만 스펙트럼은 BLG를 G로 확인하고 2D 피크는 ~ 1585.5 및 ~ 2710 cm ⁻¹ 근처에서 발견되었습니다. , 각각 이전 보고서[24]와 일치합니다. 또한 FM 증착 후 상단면의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지가 그림 S1b에 나와 있습니다. 그 후, 온도 의존적 ​​I-V SVJ의 수행 행동에 대한 귀중한 정보가 입증된 그림 1b(삽입)와 같이 특성이 얻어졌습니다. 그림 1b(삽입)는 옴 접촉의 표시인 FM/BLG/FM에 대한 선형 곡선을 보여주며 이는 이전 보고서[25]와 일치합니다. 다른 온도에서 R 대 B(평면 내)의 변화는 그림 1b와 같이 관찰되었습니다. 2개의 전극은 자기적으로 분리되고 실온에서 독립적으로 스위칭되었으며, 여기서 MR은 MR(%) =[(R _AP - R _P )/R _P ] × 100(%). 여기, R _AP FM 층의 자화가 역평행 구성으로 정렬될 때 저항에 해당하고 R _P FM 층의 자화가 평행하게 정렬될 때의 저항입니다. 어닐링 전에 장치를 측정하고 BLG SVJ에 대해 양의 자기 저항을 발견했기 때문에 각각 FM 재료의 자화의 평행 및 역평행 정렬로 인한 저저항 및 고저항 상태를 나타냅니다. 그림 1b는 정전류 값(I =10 μA). 어닐링 전 BLG의 MR 값은 T에서 ~ 0.75, ~ 0.88, ~ 0.95, ~ 1.12, ~ 1.26%에서 단조롭게 증가하는 것으로 나타났습니다. =그림 1c와 같이 각각 300, 200, 100, 50 및 4 K. 그러나 이러한 결과는 이전 보고서[26,27,28]보다 일관되고 비교적 우수합니다. 낮은 온도에서 더 높은 자기저항이 관찰되었으며, 이는 FM 재료에서 스핀파의 여기로 인한 자기터널접합(MTJ)의 전형적인 거동입니다[29]. 따라서 어닐링 후 BLG SVJ는 그림 1c(삽입)와 같이 BLG의 상단과 하단 모두에서 Co 및 NiFe의 도핑 효과로 인해 부호가 변경됩니다. 중요한 것은 어닐링 후 MR이 T에서 ~ − 0.84, ~ − 0.98, ~ − 1.19, ~ − 1.35 및 ~ − 1.49%로 증가한다는 것입니다. =그림 1c와 같이 각각 300, 200, 100, 50 및 4 K. 따라서 스핀 분극은 역전되어 음의 MR을 나타냅니다. 이는 그림 1d[28]에서와 같이 BLG에서 전하 이동 및 근접 유도 밴드 분할에 기인합니다.

아 강자성 Co 및 NiFe 금속이 각각 상부 및 하부에 증착된 장치 제조 방식. ㄴ 다양한 온도에서 어닐링 전 R 대 B 추적의 변화(I =10 μA). (삽입) 다른 온도에서 BLG의 전류-전압 특성은 선형이며 옴 접촉을 나타냅니다. ㄷ 고정 AC 전류에서 어닐링 전후의 BLG의 온도 의존적 ​​MR 값. (삽입) T에서 어닐링 후 Co/BLG/NiFe 접합의 MR 대 B =4 K. d BLG에 대한 스핀 종속 상태 밀도의 개략도. 밴드 분할은 E에서 스핀업 및 스핀다운 캐리어에 차이를 제공합니다. _F . 가운데의 두꺼운 빨간색 파선은 반 데르 발스 결합 BLG의 분리를 보여줍니다.

어닐링으로 인해 접합부가 조밀해지고 층 사이의 거리와 접합 저항이 감소합니다(그림 S3c). 그렇지 않으면 어닐링 전에 절연체 역할을 하고 도핑 메커니즘을 방해하며 이전 보고서에서 보고된 바와 같이 근접 유도 대역 분할 효과를 우회하는 몇 옹스트롬(Å) 갭이 있을 수 있습니다[28]. 또한, 페르미 준위에서 스핀업 전자는 n-도핑된 그래핀에서 대다수인 반면 스핀다운 전자는 음의 MR을 생성하는 p-도핑된 그래핀에서 대다수입니다. 또한, Co 및 NiFe의 도핑 효과를 확인하기 위해 그림 S3(a,b)와 같이 깨끗한 BLG, Co 도핑된 BLG 및 NiFe 도핑된 BLG의 전계 효과 트랜지스터를 제작했습니다. Ni₈₉를 사용했습니다. Fe₁₁ 따라서 Ni는 이전에 보고된 바와 같이 p-형을 쉽게 도핑할 수 있습니다[30, 31]. Dirac 측정에 따르면 깨끗한 BLG의 전하 중성점(CNP)이 + 4 V 근처에 있습니다. BLG에 Co 및 NiFe를 도핑한 후 CNP는 각각 + 17 및 - 11 V로 이동하여 페르미 준위의 변조를 보증합니다 그림 S3b와 같이 BLG의

SL-MoSe의 스핀-밸브 접합₂

또한, SL-MoSe₂의 광학 이미지 SiN 막 구멍에 전사된 것은 그림 2a에 나와 있습니다. 박리된 MoSe₂의 높이 AFM(Atomic Force Microscopy)으로 측정한 플레이크와 높이 프로파일은 그림 S2a-b와 같이 ~ 0.7 nm 두께를 나타냅니다. 단층 박리 MoSe₂ , A_1g (평면 밖) 라만 모드는 ~ 240.6 cm ⁻¹ 로 부드러워집니다. 그리고 E ¹ _2g (평면 내) 모드는 ~ 286.4 cm ⁻¹ 로 강화됩니다. , 그림 S2c와 같이 이전 보고서와 일치합니다[32]. Co/SL-MoSe₂의 접합 저항 /NiFe 스핀 밸브 접합은 그림 2b에 나와 있으며 온도가 감소함에 따라 감소합니다. 또한 선형 I-V 다른 온도에서의 곡선, 그림 2b의 삽입도 SL-MoSe₂ 사이의 옴 접촉을 나타냅니다. 및 FM 전극. 선형 I-V 특성은 단층 MoSe₂ 전극 사이의 터널 장벽이 아닌 전도성 박막 역할을 합니다. 그림 2c에서 Co/SL-MoSe₂의 MR 루프 /NiFe는 일정한 전류(I =10 μA), 이는 양의 스핀 신호를 생성합니다. SL-MoSe₂의 체계 SVJ는 그림 2d에 삽입되어 표시됩니다. Co/SL-MoSe₂에 대한 온도 의존적 ​​MR 값 /NiFe 접합은 그림 2d에 표시되어 있으며 온도가 증가함에 따라 MR이 감소하는 것이 관찰됩니다.

아 SL-MoSe₂의 광학 이미지 구멍 위에 조각. ㄴ SL-MoSe₂의 접합 저항 다른 온도에서. (삽입) 온도 의존 I -V 수직 Co/SL-MoSe₂의 곡선 /NiFe SVJ는 금속 접합을 보여줍니다. ㄷ T에서 R 대 B의 변동 =어닐링 전 300, 200, 100, 50 및 4 K. d Co/SL-MoSe₂의 온도 의존적 ​​MR 비율 /NiFe 고정 전류에서 어닐링 전후. (삽입) SL-MoSe₂가 있는 장치의 개략도

이 접합에서 MR 크기는 I =10 μA는 T에서 ~ 0.37, ~ 0.56, ~ 0.76, ~ 1.2, ~ 1.51%로 결정됩니다. =각각 300, 200, 100, 50 및 4 K. 또한 고정 AC 전류에서 Co/SL-MoSe₂의 MR 값 /NiFe 접합은 장치를 어닐링한 후 약간 향상되었으며 T에서 최대 ~ 0.41, ~ 0.6, ~ 0.79, ~ 1.4 및 ~ 1.56%에 도달했습니다. =그림 2d와 같이 각각 300, 200, 100, 50 및 4 K입니다. 따라서 MR의 향상은 그림 S3c에 표시된 것처럼 접합 품질의 향상에 기인할 수 있습니다. 여기서 모든 장치의 접합 저항은 어닐링 후에 크게 감소했습니다. 중요한 것은 이러한 SL-MoSe₂의 극성이 Co 및 NiFe가 SL-MoSe₂를 도핑하지 않았기 때문에 접합부가 동일하게 유지되었습니다. 전도대에서 가전자대로 또는 그 반대로 페르미 준위를 이동하기에 충분합니다. 그래서 MoSe₂ 두 인터페이스에서 안정적인 양의 스핀 분극을 보여주었습니다.

BLG/SL-MoSe의 스핀 밸브 접합₂ 헤테로스택

원자적으로 얇은 2D 물질의 헤테로스택은 고유한 스핀-편광 수송 특성으로 인해 탐구되었습니다. 또한, BLG/SL-MoSe₂의 광학 이미지 SiN 홀의 헤테로스택이 그림 3a에 나와 있습니다. 온도 의존적 ​​접합 저항은 그림 3b(상단 삽입)에 나와 있으며, 여기서 저항은 온도가 감소함에 따라 감소하며, 이는 금속 접합을 나타냅니다. 금속 거동에 대한 추가 확인을 위해 4개의 프로브 형상 I-V를 조사했습니다. T의 특성 =그림 3b에 표시된 4K(하단 삽입). Co/BLG/SL-MoSe₂ /NiFe 접합은 선형 I-V를 나타냅니다. 옴 접촉으로 인한 곡선. 어닐링 전, 그림 3b는 Co/BLG/SL-MoSe₂에서 포지티브 스핀 분극을 보여주는 포지티브 MR 트레이스를 보여줍니다. /니페. 그러나 어닐링 후 MR 기호는 양의 값을 유지했으며(그림 3d, 삽입) 값은 ~ 0.42, ~ 0.63, ~ 0.85, ~ 1.26 및 ~ 1.71%(그림 3d, 어닐링 전)에서 .49~ 로 증가했습니다. T에서 ~ 1.13, ~ 1.65, ~ 1.81 및 ~ 1.86%(그림 3d, 어닐링 후) =300, 200, 100, 50 및 4 K는 각각 그림 3d와 같습니다. 저온에서 높은 MR 값은 스핀 밸브 접합의 일반적인 동작입니다[33, 34]. Co/BLG/SL-MoSe₂의 양성 MR /NiFe 장치는 Co/BLG 및 SL-MoSe₂ 두 인터페이스의 유사한 양의 스핀 분극에 기인합니다. /니페. 우리의 연구 결과에서 우리는 SL-MoSe₂에서 양의 스핀 분극을 설명합니다. (그림 2c), Co/BLG/NiFe 스핀 밸브 접합에서 Co/BLG 계면도 양의 스핀 분극을 발생시킵니다. 따라서 Co/BLG/SL-MoSe₂의 순 분극 /NiFe 스핀 밸브 접합은 포지티브이며 그림 3c에 개략적으로 설명되어 있습니다.

아 BLG/SL-MoSe₂의 광학현미경 이미지 구멍에. ㄴ Co/BLG/SL-MoSe₂의 온도 의존적 ​​MR 루프 고정 전류에서 /NiFe 접합(I =10μA). (상단 삽입) Co/BLG/SL-MoSe₂의 온도 의존 접합 저항 /니페. (하단 삽입) 선형 I-V Co/BLG/SL-MoSe₂의 곡선 /NiFe 기기 T =4 K. c BLG 및 SL-MoSe₂에 대한 스핀 종속 상태 밀도의 개략도 헤테로스택. 장치를 어닐링한 후, Co 또는 NiFe에 인접한 BLG의 페르미 준위는 n형 또는 p형 도핑으로 인해 이동합니다. d 어닐링 전후의 MR 크기는 Co/BLG/SL-MoSe₂ 구조에 대한 온도의 함수로 나타납니다. /니페. (삽입) 어닐링 후 Co/BLG/SL-MoSe₂의 온도 종속 MR 루프 고정 전류에서 /NiFe 접합, I =10μA

또한 BLG로 도핑된 Co 및 NiFe의 역할을 설명하기 위해 NiFe/BLG/MoSe₂ 헤테로스택 장치의 또 다른 세트를 제작했습니다. /주식회사 어닐링 전에 그림 4a와 같이 양의 자기 저항을 설명하는 MR 루프를 측정했습니다. 중요한 것은 어닐링 후 NiFe/BLG/MoSe₂ 극성 /Co 접합은 그림 4b와 같이 반전됩니다. 음의 분극은 NiFe/BLG 계면의 정공 도핑과 BLG의 근접 유도 밴드 분할에 기인하며, 이는 대부분의 스핀다운 전자를 유도합니다[28]. NiFe/BLG/MoSe₂의 온도 의존적 ​​MR 값 /Co SVJ는 T에서 ~ 0.12, ~ 0.24, ~ 0.48, ~ 0.86, ~ 1.2%로 계산되었습니다. =300, 200, 100, 50 및 4 K, 어닐링 전 및 ~ -0.56, ~ -0.75, ~ -0.98, ~ -1.42 및 ~ -1.99% T =300, 200, 100, 50 및 4 K, 어닐링 후) 그림 4c와 같이. 어닐링 후 저항 감소, 층간 간격, NiFe에 의한 BLG의 개선된 도핑 현상으로 인해 MR 값이 증가했음을 알 수 있습니다. 또한 NiFe/BLG/SL-MoSe₂의 순 분극을 어닐링하기 전과 후 /Co SVJ는 각각 양수와 음수이며 그림 3c에 개략적으로 나와 있습니다. 또한, 전류 종속 MR을 어닐링한 후 NiFe/BLG/MoSe₂의 비율 /Co SVJ는 그림 4d와 같이 계산되었습니다. 따라서 I에서 ac 전류가 증가함에 따라 =10 μA ~ I =50 μA, MR 값은 ~ − 2.0에서 ~ − 1.71%로 감소했습니다. MR의 이러한 감소는 일반적이며 비자성 스페이서의 경계면과 국부적 트랩 상태에 국한된 스핀 여기로 인해 발생합니다[13, 15, 35, 36]. 이 끝에서 우리는 이 프로젝트 전반에 걸쳐 모든 유형의 장치에 대한 MR(%) 값을 나타내는 그래프를 그렸고 그림 S4와 같이 일관되고 반복 가능한 추세를 보여주었습니다.

아 어닐링 전 MR은 T에서 자기장의 함수로 추적합니다. =300, 4 K 및 I =10 μA. ㄴ 어닐링 후 MR은 서로 다른 온도에서 자기장 B에 대해 추적합니다. ㄷ 어닐링 전후의 MR 값은 T =300, 200, 100, 50 및 4 K. d NiFe/BLG/SL-MoSe₂의 MR 크기 /Co 다른 현재 값

그러나 FM 접촉으로 인한 도핑[37]과 근접 효과로 인한 밴드 분할은 그래핀에서 스핀업 및 스핀다운 전자의 개체수에 차이를 만듭니다[38, 39]. 어닐링 시 FM 접촉부와 인접한 이중층 그래핀 사이의 구조 및 개선된 접촉은 두 개의 전자적으로 분리된 더 얇은 그래핀을 만드는 꼬인 그래핀 이중층에서 보고된 바와 같이 반 데르 발스 결합 소수층 결정 내에서 그래핀 층의 효과적인 분리를 제공합니다[40 ]. 그 후, 이 두 개의 뚜렷하게 도핑되고 근접한 그래핀 층이 자기 저항의 극성을 결정하는 스핀 극성 전극이 됩니다.

기본적으로 Co 및 NiFe FM은 BLG에서 각각 n형 및 p형 도핑을 가지고 있습니다. Co/BLG와 결합하여 BLG의 페르미 준위는 n-도핑으로 인해 전도대로 이동합니다. BLG의 페르미 준위가 전도대에 있을 때 그래핀의 근접 유도 대역 분할로 인해 스핀-업 전자의 밀도 또는 인구가 스핀-다운 전자에 비해 증가하여 궁극적으로 양의 스핀 분극을 나타냅니다. 반면에 NiFe/BLG 스택에서 BLG의 페르미 준위는 가전자대로 이동하고 근접 유도 밴드 분할은 스핀다운 전자의 밀도를 조장하여 최종적으로 음의 스핀 분극을 나타냅니다. 특히, 우리의 실험에서 BLG의 근접 유도 효과는 참조에서 유사하게 관찰된 바와 같이 FM의 금속화 후에 장치가 어닐링될 때만 두드러지게 됩니다. [28]. 처음에는 SL-MoSe₂의 Fermi-level에 관심이 있었습니다. 어닐링 공정 후 Co 또는 NiFe의 근접 접촉으로 인해 움직일 수 있습니다. 그러나 놀랍게도 MoSe₂에 대한 미미한 도핑 효과로 인해 일관성을 유지했습니다. . SL-MoSe₂에서 안정적인 양의 스핀 분극화를 보여주었습니다. /NiFe 및 SL-MoSe₂ Co/BLG/SL-MoSe₂에서 NiFe 또는 Co와 BLG를 선택하여 MR의 부호를 쉽게 변조할 수 있는 /Co 인터페이스 /NiFe 또는 NiFe/BLG/SL-MoSe₂ /Co 접합. 또한 ref. [28], BLG 스핀 밸브 접합부에서 어닐링 후 최대 1% MR이 관찰됩니다. 반면, 어닐링 후의 작업에서 Co/BLG/SL-MoSe₂에서 MR ~ 1.86%(ref. [28]보다 86% 더 큼)를 발견했습니다. NiFe/BLG/SL-MoSe₂에서 /NiFe 및 ~ 1.99%(참조 [28]보다 99% 더 큼) /Co 장치. 이후, 우리는 BLG/SL-MoSe₂의 발현이 접합은 BLG 또는 SL-MoSe₂에만 비해 큰 MR 값을 제공합니다. , 따라서 소자 제조의 기본 기능은 미래에 로직 및 메모리 스핀트로닉 애플리케이션을 위한 새로운 길을 여는 데 기여할 수 있습니다.