Kemajuan Pionier dalam Spintronik Dua Dimensi: Riset Terkini dan Horizonte Masa Depan
Abstrak
Spintronik adalah teknologi yang paling menjanjikan untuk mengembangkan perangkat elektronik multifungsi, berkecepatan tinggi, dan hemat energi alternatif. Karena karakteristik fisik yang tidak biasa, materi dua dimensi (2D) yang muncul menyediakan platform baru untuk menjelajahi perangkat spintronik inovatif. Akhir-akhir ini, spintronik 2D telah membuat kemajuan besar dalam penelitian teoretis dan eksperimental. Di sini, kemajuan spintronik 2D telah ditinjau. Pada akhirnya, tantangan saat ini dan peluang masa depan dalam bidang ini telah ditegaskan.
Pendahuluan
Dengan penemuan dan penerapan efek magnetoresistance raksasa (GMR), spintronik telah dengan cepat berkembang menjadi bidang yang menarik, bertujuan untuk menggunakan derajat kebebasan spin elektron sebagai penangkap informasi untuk mencapai penyimpanan data dan operasi logika [1,2,3]. Dibandingkan perangkat mikroelektronik konvensional yang berdasarkan muatan, perangkat spintronik membutuhkan energi yang lebih sedikit untuk mengubah status spin, yang dapat menghasilkan kecepatan operasi yang lebih cepat dan konsumsi energi yang lebih rendah. Oleh karena itu, spintronik adalah teknologi yang paling menjanjikan untuk mengembangkan perangkat elektronik multifungsi, berkecepatan tinggi, dan hemat energi alternatif. Meskipun memori acaks magnetoresistansi torsi transfer spin (STT-MRAM) telah diproduksi secara komersial, berbagai masalah teknis masih perlu diatasi. Tantangan utama termasuk generasi dan injeksi yang efisien dari penangkap spin yang terpolarisasi, transmisi spin jarak jauh, dan manipulasi serta deteksi arah spin [4,5,6].
Secara paralel dengan kemarau spintronik, materi van der Waals (vdW) dua dimensi (2D) telah berada di garis depan penelitian materi sejak isolasi grafena [7,8,9]. Berbeda dengan materi bulk mereka, materi vdW 2D menunjukkan banyak fenomena fisik baru. Beberapa materi 2D telah menunjukkan potensi besar untuk rekayasa perangkat spintronik 2D generasi mendatang [10,11,12]. Misalnya, grafena menunjukkan mobilitas elektron/lubang yang tinggi, umur spin yang panjang, dan panjang difusi yang panjang, yang menjadikannya calon yang menjanjikan untuk saluran spin [13,14,15]. Namun, karena karakteristik nol gap dan spin–orbit coupling (SOC) yang lemah, grafena memiliki keterbatasan dalam membangun saklar arus berbasis grafena. Sebaliknya, dalkogenida logam transisi dua dimensi (TMDCs) memiliki band gap yang beragam, efek SOC yang kuat, dan, khususnya, coupling spin–lembah yang unik, yang menyediakan platform untuk mengatur derajat kebebasan spin dan lembah untuk penyimpanan informasi nonvolatil [16, 17]. Insulator topologis (TI) dengan status permukaan yang dilindungi secara topologis memiliki interaksi spin–orbit yang kuat untuk mencapai spin–momentum locking, yang dapat menekan pencaran dan meningkatkan efisiensi konversi spin dan muatan [4, 12, 18]. Magnet 2D yang muncul dengan status dasar magnetik intrinsik hingga ketebalan lapisan atom membuka jalan baru untuk aplikasi spintronik 2D inovatif [19,20,21].
Dengan perkembangan spintronik 2D, perlu untuk meninjau pekerjaan eksperimental dan teoretis terbaru dalam bidang ini. Dalam artikel ini, kemajuan spintronik 2D telah ditinjau, dan beberapa tantangan saat ini serta peluang masa depan juga telah dibahas dalam bidang yang emerging ini. Bagian pertama meninjau magnetisme dalam materi 2D, termasuk momen magnet yang diinduksi dalam grafena, TI, dan beberapa materi 2D lainnya melalui metode dotasi atau efek kedekatan magnetik, dan beberapa magnet 2D intrinsik. Bagian kedua menyajikan tiga fungsionalitas dasar untuk mencapai operasi perangkat spintronik 2D, termasuk konversi spin–muatan, transport spin, dan manipulasi spin dalam materi 2D dan pada antarmuka mereka. Bagian ketiga memberikan tinjauan aplikasi spintronik 2D. Bagian keempat memperkenalkan beberapa perangkat spintronik 2D potensial untuk aplikasi penyimpanan memori dan logika. Bagian akhir membahas beberapa tantangan saat ini dan peluang masa depan dalam spintronik 2D untuk mencapai aplikasi praktis.
Magnetisme dalam Materi Dua Dimensi
Magnetisme memiliki arti penting dalam teknologi penyimpanan data. Namun, sebagian besar materi 2D seperti grafena tidak secara intrinsik magnetik. Dua metode telah diusulkan untuk membuat materi nonmagnetik menjadi magnetik. Metode pertama adalah untuk menghasilkan polarisasi spin dengan memperkenalkan kekosongan atau menambahkan adatoms [22,23,24]. Metode lainnya adalah untuk memperkenalkan magnetisme melalui efek kedekatan magnetik dengan materi magnetik yang berdekatan [18, 25, 26]. Kristal vdW magnetik 2D yang baru ditemukan memiliki status dasar magnetik intrinsik pada skala atom, yang menyediakan peluang yang tak terdahulu dalam bidang spintronik [20, 27].
Momen Magnet yang Diinduksi dalam Grafena
Grafena murni sangat diamagnetik, sehingga sejumlah besar studi teoretis dan eksperimental mengeksplorasi magnetisme grafena. Memperkenalkan kekosongan dan menambahkan hidrogen atau fluorin telah digunakan untuk menginduksi momen magnet dalam grafena [23, 25, 28]. Misalnya, kelompok Kawakami menggunakan adatoms hidrogen untuk dotasi grafena (Gambar 1a) dan mendeteksi arus spin murni dengan pengukuran transport spin nonlokal untuk menunjukkan pembentukan momen magnet dalam grafena [23]. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1b, cengkeram karakteristik yang muncul pada nol medan magnet dalam pengukuran transport spin nonlokal menunjukkan bahwa arus spin murni dicerna oleh coupling pertukaran antara elektron konduksi dan momen magnet lokal yang diinduksi hidrogen. Selain itu, grafena dengan adatoms fluorin dan cacat kekosongan memiliki momen magnet paramagnetik, yang dapat diukur dengan SQUID (superconducting quantum interference device) [28]. Namun, realisasi urutan ferromagnetis jarak jauh dalam grafena yang di-dope masih menjadi tantangan yang luar biasa. Beberapa peneliti telah menyarankan menggunakan efek kedekatan magnetik untuk membuat grafena mendapatkan magnetisme. Ketika grafena berdekatan dengan insulator magnetik, orbital π grafena dan orbital d yang terpolarisasi spin di dalam insulator magnetik yang berdekatan memiliki interaksi pertukaran untuk menghasilkan coupling ferromagnetis jarak jauh. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1c, dalam heterostruktur grafena/yttrium iron garnet (YIG), sinyal efek Hall anomali yang diukur dapat bertahan hingga 250 K (Gambar 1d) [25].
Reproduced with permission from McCreary et al., Phys. Rev. Lett. 109, 186,604 (2012). Copyright 2012 American Chemical Society [23]. (c) and (d) reproduced with permission from Wang et al., Phys. Rev. Lett. 114, 016,603 (2015). Copyright 2015 American Chemical Society [25]
Momen magnet yang diinduksi dalam grafena. a Prediksi teoretis momen magnet dalam grafena karena hidrogen. b Momen magnet karena dotasi hidrogen terdeteksi dengan pengukuran transport spin pada 15 K. Perangkat diukur setelah 8 s dotasi hidrogen. c Skema grafena yang di-couple pertukaran dengan tipisan ferromagnetis yttrium iron garnet (YIG) yang rata secara atom. d Pengukuran resistensi Hall anomali pada grafena magnetik pada suhu yang berbeda. a, b
Momen Magnet yang Diinduksi dalam TI
Materi 2D rentan terhadap kondisi lingkungan, seperti kelembaban dan oksigen. Status permukaan konduktif di wilayah permukaan TI dianggap sebagai materi 2D yang lebih stabil [30]. Selain itu, status permukaan TI menunjukkan properti spin–momentum locking, yang menyediakan cara untuk memanipulasi sinyal spin melalui arah arus muatan. Lebih menarik lagi, memecahkan simetri waktu–balik dengan dotasi atom magnetik atau efek kedekatan magnetik dapat menghasilkan beberapa fenomena eksotis seperti efek Hall anomali kuantum (QAHE) [18, 31]. Chang et al. [24] pertama kali mengamati QAHE dalam magnetik TI yang di-dope Cr, Cr0.15(Bi0.1Sb0.9)1.85Te3. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2a, dengan menyesuaikan level Fermi dari band TI yang diinduksi magnetik, kita dapat mengamati plat dari konduktansi Hall e2/h. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa resistensi Hall anomali yang dapat diatur oleh gate mencapai nilai terkuantisasi h/e2 pada nol medan magnet (Gambar 2b). Namun, efek pencaran spin dari atom magnetik yang di-dope terbatas untuk mencapai urutan magnetis jarak jauh yang kuat di permukaan TI. Kedekatan magnetik antara TI dan materi magnetik dapat menghindari pemasukan atom dotasi atau cacat, mendapatkan urutan magnetis jarak jauh melalui coupling pertukaran antarmuka. Reflectivitas neutron yang terpolarisasi spin (PNR) digunakan untuk mempelajari magnetisme antarmuka pada heterostruktur Bi2Se3/EuS (Gambar 2c) [32]. Hasil PNR menunjukkan bahwa bilayer Bi2Se3/EuS memiliki urutan ferromagnetis di antarmuka, dan ferromagnetisme antarmuka yang ditingkatkan secara topologis ini dapat bertahan hingga suhu kamar (Gambar 2d). Realisasi status permukaan ferromagnetis dalam TI diprediksi untuk memungkinkan beberapa fenomena prominent untuk muncul, seperti efek magnetoelektrik antarmuka [33] dan monopolis magnetik gambar yang diinduksi oleh medan listrik [34].
Reproduced with permission from Chang et al., Science 340, 167 (2013). Copyright 2013 The American Association for the Advancement of Science [24]. c, d Reproduced with permission from Katmis et al., Nature 553, 513 (2016). Copyright 2016 Nature Publishing Group [32]
Momen magnet yang diinduksi dalam TI. a Skema QAHE dalam tipisan TI magnetik. Arah magnetisasi (M) ditunjukkan oleh panah merah. Potensi kimia tipisan dapat dikontrol oleh tegangan gate yang diterapkan pada sisi belakang substrat dielektrik. b Ketergantungan medan magnet QAHE pada tegangan gate yang berbeda dalam film Cr0.15(Bi0.1Sb0.9)1.85Te3. c Skema eksperimen reflectivitas neutron yang terpolarisasi (PNR) untuk film bilayer Bi2Se3/EuS. d Pengamatan urutan ferromagnetis dalam sampel bilayer Bi2Se3/EuS melalui coupling kedekatan magnetik ke EuS yang diukur dengan pengukuran PNR. a, b
Magnetisme yang Diinduksi dalam Materi 2D Lainnya
Selain grafena dan TI, magnetisme yang diinduksi oleh cacat intrinsik dan dotan dalam materi 2D lainnya juga telah ditelidiki, termasuk fosforena [35], silsena [36, 37], GaSe [38], GaN [39], ZnO [40], dll. Hasil perhitungan prinsip pertama menunjukkan bahwa interaksi antara kekosongan dan regangan eksternal dapat menghasilkan magnetisme dalam fosforena. Ketika regangan berada di arah zigzag fosforena dan kekosongan P mencapai 4%, sistem menunjukkan status terpolarisasi spin dengan momen magnet sekitar 1 μB per situs kekosongan [35]. Perhitungan prinsip pertama juga memprediksi bahwa dotasi lubang dapat menghasilkan transisi fase ferromagnetis dalam GaSe dan GaS, karena splitting pertukaran dari status elektron di atas band valensi. Momen magnet dapat sebesar 1,0 μB per penangkap [38, 39]. Namun, sebagian besar penelitian ini terbatas pada perhitungan teoretis. Studi lebih lanjut, terutama pekerjaan eksperimental, diperlukan untuk memahami perilaku magnetik dan mengeksplorasi semikonduktor ferromagnetis suhu kamar 2D yang kuat untuk aplikasi praktis.
Magnet 2D Intrinsik
Akhir-akhir ini, anggota lain dari keluarga vdW 2D, yaitu magnet 2D, telah diperoleh secara eksperimental [19, 41]. Eksploitasi ini segera menarik perhatian yang luas untuk mengeksplorasi bidang magnetisme 2D. Kelompok Xu pertama kali melaporkan bahwa CrI3 hingga lapisan tunggal menunjukkan ferromagnetisme Ising dengan anizotropi magnetik keluar dari bidang yang kuat dengan teknik efek magneto-optis Kerr (MOKE) (Gambar 3a) [42]. Selain itu, CrI3 menunjukkan fase magnetik yang bergantung pada lapisan, di mana lapisan tunggal dan trilayer CrI3 ferromagnetis sementara bilayer antiferromagnetis. Gong et al. melaporkan materi 2D lainnya, Cr2Ge2Te6, yang memiliki urutan ferromagnetis jarak jauh intrinsik dalam lapisan atom [43]. Berbeda dengan CrI3, Cr2Ge2Te6 dilaporkan sebagai ferromagnet Heisenberg 2D dengan anizotropi magnetik yang kecil. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3b, suhu transisi ferromagnetik Cr2Ge2Te6 terkait dengan jumlah lapisan. Ferromagnet 2D populer lainnya adalah Fe3GeTe2, yang merupakan logam ferromagnetik vdW yang terdiri dari lapisan Fe/FeGe/Fe, yang disandwichek di antara dua lapisan atom Te [44]. Efek Hall anomali telah digunakan untuk mempelajari magnetisme Fe3GeTe2, dan hasilnya menunjukkan bahwa Fe3GeTe2 memiliki anizotropi magnetik yang kuat dengan arah magnetisasi mudah sejajar dengan sumbu c dan suhu Curie 230 K (Gambar 3c) [45]. Namun, suhu Curie dari materi-materi ini lebih rendah dari suhu kamar, yang merupakan hambatan besar untuk aplikasi perangkat. Memiliki suhu Curie di atas suhu kamar adalah prasyarat untuk aplikasi praktis dari materi magnetik dua dimensi. Peneliti telah menyiapkan lapisan tunggal ferromagnetis suhu kamar 1 T-VSe2 dengan epitaksi tangkai molekular (MBE) [41]. Beberapa lapisan 1 T-CrTe2 yang baru dilaporkan menunjukkan suhu Curie sebanyak 316 K [46], yang memberikan kemungkinan untuk aplikasi perangkat spintronik 2D di masa depan. Selain materi ferromagnetis 2D, materi antiferromagnetis 2D banyak dilaporkan, seperti FePS3 [47], MnPS3 [48], dan CrCl3 [49]. Lebih menakjubkan lagi, kelompok Zhang Yuanbo baru-baru ini melaporkan QAHE yang diinduksi oleh medan magnet dalam insulator topologis magnetik intrinsik MnBi2Te4 [50]. MnBi2Te4 adalah antiferromagnet dengan ferromagnetis intralapisan dan antiferromagnetis interlapisan. Dengan membedah transport kuantum, pengkuantisasi yang tepat dari efek Hall anomali dalam flake MnBi2Te4 lapisan lima yang murni diamati pada medan magnet sedang di atas μ0H ~ 6 T pada suhu rendah (Gambar 3d).
Reproduced with permission from Huang et al., Nature 546, 271 (2017). Copyright 2017 Nature Publishing Group [42]. b Reproduced with permission from Gong et al., Nature 546, 265 (2017). Copyright 2017 Nature Publishing Group [43]. c Reproduced with permission from Fei et al., Nat. Mater. 17, 778 (2018). Copyright 2018 Nature Publishing Group [44]. d Reproduced with permission from Deng et al., Science 367, 895 (2020). Copyright 2020 The American Association for the Advancement of Science [50]
Magnet 2D intrinsik. a Sinyal efek magneto-optis Kerr (MOKE) polar untuk lapisan tunggal CrI3. Sisipan menunjukkan gambar optik dari lapisan tunggal CrI3 terisolasi. b Suhu transisi TC∗ dari Cr2Ge2Te6 untuk ketebalan yang berbeda, plot dengan persegi biru diperoleh dari pengukuran Kerr, dan plot dengan lingkaran merah dari perhitungan teoretis. Sisipan menunjukkan gambar optik lapisan atom Cr2Ge2Te6 yang di-ekfoliasi pada SiO2/Si. c Sweep medan magnetik bergantung pada suhu dari resistensi Hall yang diukur pada perangkat Fe3GeTe2 tebal 12 nm. Sisipan menunjukkan gambar mikroskop kekuatan atom dari tipisan FGT representatif pada SiO2. d QAHE yang diinduksi oleh medan magnetik dalam sampel MnBi2Te4 lapisan lima. Ryx bergantung pada medan magnetik pada berbagai suhu. Sisipan menunjukkan struktur kristal MnBi2Te4 dan gambar optik flake beberapa lapis MnBi2Te4 yang dibelah dengan metode ekfoliasi yang dibantu Al2O3. a
Fungsi Elemental Operasi Perangkat Spintronik 2D
Perkembangan terbaru dalam materi 2D yang muncul dan beberapa teknik karakterisasi canggih telah memungkinkan bidang spintronik 2D untuk berkembang dengan cepat [51,52,53]. Isu kunci untuk realisasi perangkat spintronik termasuk konversi spin–muatan, transport spin, dan manipulasi spin. Generasi dan deteksi yang efisien dari arus spin adalah tantangan utama dalam mengembangkan perangkat spintronik 2D yang menggantikan yang listrik. Transport spin menginginkan saluran transport yang sesuai dengan umur spin yang panjang dan propagasi spin jarak jauh. Manipulasi spin diperlukan untuk mengontrol arus spin dan mencapai fungsionalitas perangkat.
Konversi Spin–Muatan
Banyak metode diusulkan untuk mencapai konversi spin–muatan, seperti dengan injeksi/deteksi spin listrik atau dengan memanfaatkan efek Hall spin dan efek Edelstein, yang berasal dari SOC [54,55,56]. Namun, efek Hall spin biasanya terjadi dalam materi bulk, sementara efek Edelstein biasanya dianggap sebagai efek antarmuka [55].
Pengukuran “nonlokal” dan “lokal” umumnya digunakan untuk melakukan injeksi/deteksi spin listrik ke dalam materi saluran [14]. Untuk pengukuran nonlokal (Gambar 4a), elektroda E2 adalah logam ferromagnetis sebagai injektor spin, dan E3 adalah elektroda ferromagnetis sebagai detektor spin. Arus yang diterapkan mengalir dari elektroda E1 ke E2, dan E3 dan E4 digunakan untuk mendeteksi sinyal arus spin murni yang menyebar. Polaritas tegangan yang diukur antara E3 dan E4 tergantung pada konfigurasi magnetisasi elektroda E2 dan E3. Metode ini dapat menghasilkan arus spin murni tanpa arus muatan, sementara pengukuran “lokal” mendapatkan sinyal campuran dari arus spin dan arus muatan (Gambar 4b). Selisih tegangan antara konfigurasi magnetisasi paralel dan antiparalel elektroda E2 dan E3 dianggap sebagai sinyal transport spin.
Reproduced with permission from Han et al., Nat. Nanotechnol. 9, 794 (2014). Copyright 2018 Nature Publishing Group [14]. c, d Reproduced with permission from Mendes et al., Phys. Rev. Lett. 115, 226601 (2015). Copyright 2015 American Chemical Society [68]. e, f Reproduced with permission from Shao et al., Nano Lett. 16, 7514 (2016). Copyright 2016 American Chemical Society [71]
Konversi spin dan muatan dalam materi 2D. a Injeksi dan deteksi spin listrik dengan geometri pengukuran nonlokal. b Injeksi dan deteksi spin listrik dengan geometri pengukuran lokal. c Konversi spin–muatan dalam grafena pada YIG, insulator ferromagnetis. Arus spin dihasilkan dari pompa spin dari YIG dan dikonversi menjadi arus muatan dalam grafena. d Ketergantungan medan magnetik dari tegangan pompa spin yang diukur pada YIG/Grafena e Pengukuran SOT untuk bilayer MX2/CoFeB. MX2 mewakili MoS2 dan WSe2. f Ilustrasi akumulasi spin yang diinduksi oleh efek Rashba–Edelstein (REE) di antarmuka MX2/CoFeB di bawah medan listrik eksternal. a, b
Hill et al. pertama kali melaporkan injeksi spin ke dalam grafena dengan menggunakan elektroda NiFe lembut [57]. Namun, efisiensi injeksi spin diperkirakan relatif rendah, sekitar 10%, yang dapat disebabkan oleh ketidakcocokan konduktansi antara logam ferromagnetis dan grafena. Kemudian, beberapa peneliti menyarankan menggunakan penghalang insulator seperti Al2O3 atau MgO sebagai lapisan untuk menyesuaikan resistensi antarmuka yang bergantung pada spin dan meningkatkan efisiensi injeksi spin [58,59,60], tetapi menyediakan lapisan oksida berkualitas tinggi adalah tantangan utama. Beberapa metode telah digunakan untuk meningkatkan teknik pertumbuhan lapisan oksida atau beralih ke lapisan oksida antarmuka lain, seperti lapisan TiO2 atau HfO2 [61, 62]. Namun, resistensi antarmuka yang bergantung pada spin masih merupakan masalah fundamental, yang menyebabkan efisiensi injeksi spin yang rendah. Satu materi insulator 2D, boron nitride heksagonal (h-BN), memiliki struktur kristal yang serupa dengan grafena. Studi teoretis dan eksperimental telah menunjukkan bahwa menggunakan h-BN sebagai penghalang terowongan dapat menghasilkan antarmuka berkualitas tinggi dan sangat meningkatkan efisiensi injeksi spin grafena. Beberapa lapisan h-BN menunjukkan performa injeksi spin yang lebih baik dari pada lapisan tunggal h-BN [63, 64]. Namun, hasil penelitian ini masih menyisakan celah besar yang harus diisi sebelum aplikasi praktis dapat dilakukan. Akhirnya, untuk mencapai injeksi spin sempurna (100%) diperlukan banyak penelitian, dan materi 2D menyediakan arah yang menjanjikan, seperti heterostruktur 2D yang terdiri dari materi ferromagnetis 2D, penghalang terowongan 2D, dan saluran transport 2D.
Efek (invers) Rashba–Edelstein adalah efek antarmuka yang berasal dari SOC yang kuat, yang dapat digunakan untuk mencapai konversi spin–muatan [65]. Meskipun grafena intrinsik memiliki SOC yang cukup lemah, ia dapat mencapai konversi spin–muatan yang efisien dengan menggunakan SOC yang kuat dari materi berdekatan melalui efek kedekatan [66, 67]. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4c, ketika grafena berdekatan dengan insulator ferromagnetis YIG, arus spin dihasilkan dalam lapisan YIG melalui pompa spin, kemudian dikonversi menjadi arus muatan dalam grafena oleh efek invers Edelstein [68]. Gambar 4d menunjukkan kurva tegangan pompa spin sebagai fungsi dari medan dalam perangkat YIG/grafena. Tegangan pompa spin dapat terdeteksi pada medan magnetik yang tegak lurus dengan saluran grafena. Selain itu, ketika medan magnetik eksternal diubah sepanjang saluran grafena, tidak ada tegangan pompa spin. Lebih lanjut, pementasan cairan ionik yang diterapkan pada permukaan grafena dapat dengan jelas memodulasi properti grafena untuk mengubah efisiensi konversi spin–muatan YIG/grafena [56].
Tidak seperti grafena, TMDCs dengan SOC yang kuat dianggap sebagai materi yang menjanjikan untuk mencapai konversi spin–muatan [69, 70]. Torsi spin–orbit (SOT) yang besar dalam struktur bilayer TMDC lapisan tunggal (MoS2 atau WSe2)/CoFeB dihasilkan melalui akumulasi spin yang diinduksi oleh arus yang disebabkan oleh efek Rashba–Edelstein (Gambar 4e, f) [71]. Torsi seperti medan dan torsi seperti redaman ditentukan melalui pengukuran harmoni kedua, dan hasilnya menunjukkan bahwa lapisan tunggal TMDC luas area memiliki potensi aplikasi karena efisiensi yang tinggi dalam pembalikkan magnetisasi. Selain itu, teknik resonansi ferromagnetis torsi spin (ST-FMR) telah digunakan untuk menyelidiki konversi spin dan muatan dalam TMDCs. Misalnya, hasil ST-FMR yang menarik menunjukkan bahwa SOT dapat dikendalikan melalui simetri kristal WTe2 dalam bilayer WTe2/ Permalloy. Ketika arus diterapkan sepanjang sumbu simetri rendah WTe2, torsi anti-redaman keluar dari bidang dapat dihasilkan [72]. Properti spin–momentum locking di status permukaan TI berguna untuk mencapai injeksi arus spin ke dalam materi berdekatan melalui SOT. Karena korelasi yang kuat antara arah polarisasi spin dan arah arus muatan, arah spin dapat dimanipulasi oleh arus muatan dalam TI. Berbagai teknik pengukuran telah digunakan untuk menyelidiki konversi spin–muatan, termasuk pengukuran harmoni kedua, pompa spin, dan ST-FMR. Hasil pengukuran ini menunjukkan bahwa mungkin untuk menghasilkan SOT yang efisien dalam materi 2D seperti TMDCs dan TI.
Transport Spin
Kunci transport spin adalah mendapatkan saluran transport spin yang menguntungkan dengan panjang difusi spin yang panjang dan waktu relaksasi spin yang panjang. Relaksasi spin disebabkan oleh pencaran momentum, sehingga grafena dengan SOC yang lemah dianggap sebagai materi ideal untuk transport spin [14, 73]. Tombros et al. [74] merealisasikan transport spin elektronik dan precesi spin dalam katup spin grafena lateral tunggal pada suhu kamar dengan pengukuran nonlokal pada tahun 2007. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5a, b, katup spin nonlokal terdiri dari empat terminal ferromagnetis kobalt sebagai elektroda, lapisan oksida Al2O3 tipis sebagai penghalang, dan lembar grafena sebagai saluran transport spin. Sinyal pengukuran dalam Gambar 5c menunjukkan bahwa jika elektroda ferromagnetis untuk injeksi dan deteksi spin memiliki magnetisasi paralel, resistensi nonlokal yang diukur oleh kontak 1 dan 2 memiliki nilai positif. Jika elektroda ferromagnetis untuk injeksi dan deteksi spin memiliki magnetisasi antiparalel, maka resistensi nonlokal menunjukkan nilai negatif. Precesi spin Hanle dapat digunakan untuk menentukan panjang difusi spin dan umur spin. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5d, umur spin (τsf) dan panjang relaksasi spin (λsf) adalah 125 ps dan 1,3 μm, masing-masing, dalam katup spin grafena lateral tunggal pada suhu kamar. Selain itu, gate dapat digunakan untuk meningkatkan panjang relaksasi spin dan umur spin [75, 76]. Teori memprediksi bahwa umur spin dalam grafena murni dapat mencapai 1 μs, sedangkan nilai eksperimental yang dilaporkan berkisar dari pikosekon hingga beberapa nanosekon.
Reproduced with permission from Tombros et al., Nature 448, 571 (2007). Copyright 2007 Nature Publishing Group [74]. e–h Reproduced with permission from Avser et al., Nat. Phys. 13, 888 (2017). Copyright 2017 Nature Publishing Group [84]
Transport spin dalam katup spin lateral. a Geometri pengukuran transport spin nonlokal. Arus diinjeksikan dari elektroda 3 melalui penghalang Al2O3 ke dalam grafena dan diekstrak pada kontak 4. b Gambar mikroskop elektron pemindai dari katup spin empat terminal dengan grafena lapisan tunggal sebagai saluran transport spin dan Co sebagai empat elektroda ferromagnetis. c Sinyal katup spin nonlokal pada 4,2 K. Konfigurasi magnetik elektroda diilustrasikan untuk kedua arah sweep. d Precesi spin Hanle dalam geometri nonlokal, diukur sebagai fungsi dari medan magnetik tegak lurus Bz untuk konfigurasi paralel. e Skema katup spin fosfor hitam. Sisipan menunjukkan skema heterostruktur. f Gambar optik perangkat. g Sinyal katup spin nonlokal sebagai fungsi dari medan magnetik dalam bidang. Magnetisasi relatif elektroda injektor dan detektor diilustrasikan oleh panah vertikal, dan panah horizontal mewakili arah sweep dari medan magnetik. h Precesi spin Hanle dalam geometri nonlokal, diukur sebagai fungsi dari medan magnetik tegak lurus Bz untuk konfigurasi paralel dan antiparalel. Sisipan menunjukkan precesi spin di bawah medan magnetik yang diterapkan. a–d
Banyak metode yang ditingkatkan digunakan untuk meningkatkan panjang difusi spin dan umur spin, dan beberapa perangkat sudah menunjukkan panjang difusi spin dalam rentang mikrometer [13, 77, 78]. Misalnya, grafena yang tumbuh epitaksial pada SiC memiliki mobilitas tinggi, menunjukkan efisiensi transport spin hingga 75% dan panjang difusi spin melebihi 100 µm [79]. Heterostruktur h-BN/grafena/h-BN menunjukkan performa transport spin jarak jauh, di mana panjang difusi spin dapat mencapai 30,5 μm pada suhu kamar [13]. Transport spin dalam materi 2D dapat dipengaruhi oleh difusi/drift, yang dapat dimodulasi dengan menerapkan medan listrik. Ingla-Aynés et al. [80] melaporkan panjang relaksasi spin hingga 90 μm dalam bilayer grafena yang dienkapsulasi h-BN dengan menggunakan drift penangkap. Namun, SOC yang lemah dan bandgap nol dalam grafena intrinsik membatasi peluangnya untuk perangkat spin semikonduktor. Fosfor hitam memiliki bandgap langsung yang cukup besar dan mobilitas suhu kamar 1000 cm2 V−1 s−1, yang menjadikannya materi spintronik semikonduktor ideal [81,82,83]. Avsar et al. [84] membangun katup spin lateral berdasarkan lembar fosfor hitam yang tipis dan mengukur properti transport spinnya pada suhu kamar melalui geometri nonlokal (Gambar 5e, f). Transport spin elektronik dalam Gambar 5g menunjukkan bahwa saat arah magnetisasi ferromagnet berubah, resistensi nonlokal memiliki perubahan ΔR ≈ 15Ω. Selain itu, precesi spin Hanle menunjukkan waktu relaksasi spin hingga 4 ns dan panjang relaksasi spin melebihi 6 µm (Gambar 5h). Transport spin dalam fosfor hitam terkait erat dengan konsentrasi penangkap muatan, jadi sinyal spin dapat dikontrol dengan menerapkan medan listrik.
Manipulasi Spin
Merealisasikan manipulasi spin adalah kunci untuk fungsionalisasi perangkat yang efektif. Menerapkan tegangan gate dapat mengontrol konsentrasi penangkap muatan dalam materi, yang dapat digunakan untuk memanipulasi sinyal spin [85, 86]. Berbagai materi 2D sebagai saluran transport spin telah ditelidiki untuk merealisasikan penyesuaian parameter transport spin melalui penerapan tegangan gate. Misalnya, grafena yang diinduksi oleh bias dapat mencapai polarisasi injeksi dan deteksi spin hingga 100% dalam heterostruktur ferromagnet/bilayer h-BN/grafena/h-BN [64]. Katup spin yang dapat diatur oleh gate berdasarkan fosfor hitam dapat mencapai waktu relaksasi spin dalam rentang nanosekon dan panjang relaksasi spin yang panjang [84]. Untuk saluran MoS2 semikonduktor, menerapkan tegangan gate masih dapat menghasilkan panjang difusi spin yang cukup panjang, lebih besar dari 200 nm [70]. Namun, perangkat spin field-effect yang sesuai memerlukan rasio perpindahan yang jelas, yang merupakan tantangan untuk grafena dan bahkan untuk materi 2D semikonduktor [87, 88].
Untuk mengatasi masalah ini, heterostruktur vdW berdasarkan grafena tipis secara atom dan MoS2 semikonduktor telah dikembangkan untuk mencapai saklar spin field-effect melalui penerapan tegangan gate (Gambar 6a) [89]. Dalam struktur ini, properti transport spin yang unggul dari grafena dan SOC yang kuat dari MoS2 digabungkan. Tegangan gate yang diterapkan dapat mengubah konduktivitas MoS2 dan penyerapan spin selama transport spin, yang menghasilkan perpindahan arus spin antara status ON dan OFF dalam saluran grafena (Gambar 6b). Upaya penelitian lain menghasilkan laporan serupa tentang heterostruktur vdW grafena/MoS2. Dalam laporan ini, kontrol listrik gate dari arus spin dan umur spin dalam heterostruktur grafena/MoS2 dicapai pada suhu kamar [90]. Selain itu, laporan itu menyatakan bahwa mekanisme parameter spin yang dapat diatur oleh gate berasal dari penyesuaian gate dari barrier Schottky di antarmuka MoS2/grafena dan konduktivitas saluran MoS2.
source contact. b Efektif BSO sebagai fungsi dari Vg. Sisipan menunjukkan distribusi penangkap muatan permukaan dalam lapisan Cr-TI di bawah Vg = −10 V, +3 V, dan +10 V. a–c Reproduced with permission from Yan et al., Nat. Commun. 7, 1 (2016). Copyright 2016 Nature Publishing Group [89]. d, e Reproduced with permission from Fan et al., Nat. Mater. 13, 699 (2014). Copyright 2014 Nature Publishing Group [95]. f, g Reproduced with permission from Fan et al., Nat. Nanotechnol. 11, 352 (2016). Copyright 2016 Nature Publishing Group [96]
Manipulasi spin. a Ilustrasi skematis saklar spin field-effect 2D berdasarkan heterostruktur vdW grafena/MoS2 dengan pengukuran magnetoresistansi nonlokal yang khas. b Resistensi nonlokal Rnl beralih antara RP dan RAP untuk orientasi magnetisasi paralel dan antiparalel elektroda Co. Sinyal spin dihitung sebagai ΔRnl = RP − RAP. c Plot dengan lingkaran biru menunjukkan modulasi gate dari sinyal spin ΔRnl. Garis hitam padat mewakili konduktivitas lembar MoS2 sebagai fungsi dari Vg. Sisipan menunjukkan jalur arus spin dalam status OFF dan ON MoS2. d Ilustrasi skematis pembalikkan magnetisasi yang diinduksi oleh SOT dalam heterostruktur bilayer TI yang di-dope Cr. Sisipan menunjukkan ilustrasi perangkat bar Hall dan setting pengukuran. e Hasil eksperimental pembalikkan magnetisasi yang diinduksi oleh SOT dengan arus langsung dalam bidang pada 1,9 K sambil menerapkan medan magnetik eksternal dalam bidang konstan By selama pengukuran. Sisipan menunjukkan versi diperbesar dari bagian yang di-lingkari dalam gambar. f Skema 3D struktur bar Hall tumpukan Al2O3/Cr-TI/GaAs dengan elektroda gate Au atas. Tegangan gate Vg dapat diterapkan antara gate atas dan
SOT yang diinduksi oleh arus dianggap sebagai strategi lain yang efisien untuk memanipulasi spin. Arus spin, yang dihasilkan oleh efek Hall spin dalam logam berat atau efek Rashba di antarmuka, dapat menyelesaikan torsi spin pada ferromagnet dan dengan demikian merealisasikan pembalikkan magnetisasi [91,92,93]. Pembalikkan magnetisasi yang diinduksi oleh arus yang efisien melalui SOT dapat mengarah pada aplikasi spintronik inovatif. Karena SOC yang kuat dan pelanggaran simetri waktu–balik, TI yang di-dope magnetik sedang dipertimbangkan sebagai materi yang menjanjikan untuk memanipulasi sinyal spin melalui SOT [94]. Kelompok Wang pertama kali secara eksperimental menunjukkan pembalikkan magnetisasi yang diinduksi oleh arus dalam bidang dalam tipisan bilayer TI yang di-dope Cr epitaksial (Bi0.5Sb0.5)2Te3/(Cr0.08Bi0.54Sb0.38)2Te3 (Gambar 6c) [95]. Sudut Hall spin dalam film TI yang di-dope Cr, berkisar dari 140 hingga 425, hampir tiga orde magnitudo lebih besar dari pada heterostruktur logam berat/ferromagnet, dan densitas arus pembalik kritis di bawah 8,9 × 104 A cm−2 pada 1,9 K (Gambar 6d). Selain itu, tim ini juga melaporkan kontrol medan listrik yang efektif dari SOT dalam tipisan TI yang di-dope Cr (Bi0.5Sb0.42)2Te3 yang tumbuh epitaksial pada substrat GaAs (Gambar 6e) [96]. Efek gate pada pembalikkan magnetisasi ditelidiki dengan memindai tegangan gate di bawah arus konstan dan medan magnetik dalam bidang yang diterapkan dalam film (Gambar 6f). Intensitas SOT sangat bergantung pada arus permukaan yang terpolarisasi spin dalam tipisan, dan dapat dimodulasi dalam rentang tegangan gate yang sesuai. Kontrol medan listrik yang efektif dari SOT dalam struktur magnetik berbasis TI memiliki potensi aplikasi dalam memori magnetik dan perangkat logika.
Selain itu, kontrol listrik dari magnet 2D yang muncul juga telah ditelidiki. Misalnya, dengan memanfaatkan medan listrik atau dotasi elektrostatis dapat mencapai konversi magnetik bilayer CrI3 antiferromagnetis ke ferromagnetis [97]. Koersi dan medan saturasi beberapa lapisan Cr2Ge2Te6 dapat dimodulasi melalui pementasan cairan ionik [98]. Berbeda dengan semikonduktor magnetik, dotasi elektrostatis dapat digunakan untuk mengontrol konsentrasi penangkap muatan dari logam ferromagnetis, dan suhu transisi ferromagnetik Fe3GeTe2 dapat dengan dramatis ditingkatkan ke suhu kamar melalui gate ionik [99]. Munculnya dan penelitian magnet 2D menyediakan platform baru untuk rekayasa perangkat spintronik 2D generasi mendatang.
Aplikasi Spintronik 2D
Materi 2D menunjukkan potensi besar untuk rekayasa perangkat spintronik 2D generasi mendatang. Grafena dengan mobilitas elektron/lubang yang tinggi, umur spin yang panjang, dan panjang difusi yang panjang adalah calon yang menjanjikan untuk saluran spin. Selain itu, grafena dapat mendapatkan magnetisme dengan memperkenalkan adatoms, atau efek kedekatan magnetik [23, 25]. Konsentrasi penangkap muatan dalam grafena ferromagnetis yang diinduksi oleh kedekatan dapat dimodulasi dengan gate, yang memungkinkan pengamatan ketergantungan energi Fermi dari konduktivitas efek Hall anomali. Hasil ini dapat membantu memahami asal fisik dari efek Hall anomali dalam sistem fermion Dirac 2D. Realisasi status permukaan ferromagnetis dalam TI diprediksi untuk memungkinkan beberapa fenomena prominent untuk muncul, seperti efek magnetoelektrik antarmuka [33], dan monopolis magnetik gambar yang diinduksi oleh medan listrik [34]. Namun, teknologi saat ini untuk menginduksi magnetisme dalam TI terbatas pada suhu rendah, yang membatasi potensi untuk aplikasi. Persyaratan utama untuk aplikasi yang berguna adalah generasi ferromagnetisme suhu kamar dalam TI. Hasil PNR menunjukkan bahwa bilayer Bi2Se3/EuS memiliki urutan ferromagnetis di antarmuka, dan ferromagnetisme antarmuka yang ditingkatkan secara topologis ini dapat bertahan hingga suhu kamar [32]. Respons magnetoelektrik topologis dalam TI yang direkayasa ini dapat memungkinkan manipulasi yang efisien dari dinamika magnetisasi oleh medan listrik, yang menyediakan mekanisme kontrol topologis hemat energi untuk teknologi berbasis spin di masa depan.
Efek STT dan efek tunnel magnetoresistance (TMR) menawarkan pendekatan alternatif untuk operasi penulisan dan pembacaan. Efek STT merujuk pada reorientasi magnetisasi materi ferromagnetis melalui transfer momentum sudut spin. Pembalikkan magnetisasi yang diinduksi oleh arus yang efisien melalui SOT dapat mengarah pada aplikasi spintronik inovatif [71, 100]. Karena SOC yang kuat dan pelanggaran simetri waktu–balik, TI yang di-dope magnetik sedang dipertimbangkan sebagai materi yang menjanjikan untuk memanipulasi sinyal spin melalui SOT [93]. TMR merujuk pada perilaku magnetoresistansi yang bergantung pada magnetisasi. Rasio TMR yang tinggi adalah kunci untuk mencapai perangkat spintronik dengan sensitivitas yang lebih tinggi, konsumsi energi yang lebih rendah. Materi 2D dengan kristal berkualitas tinggi dan antarmuka tajam dapat mencapai beberapa fungsionalitas baru seperti filter spin. MTJ vdW 2D terdiri dari lapisan filter spin magnetik CrI3 2D sebagai penghalang terowongan, yang mencapai nilai TMR hingga 19.000% [101]. Kemajuan dalam pembuatan heterostruktur berbasis grafena dan materi 2D lainnya telah mengarah pada optimasi difusi spin jarak jauh (hingga puluhan mikrometer), serta pengarahan arah arus spin [13, 64]. Manipulasi spin, pementasan listrik [56], drift yang diinduksi oleh medan listrik [80], pembalikkan yang diinduksi oleh SOT [95, 96], dan efek kedekatan magnetik [25, 32] telah dieksplorasi untuk mengembangkan MRAM generasi mendatang.
Perangkat Spintronik 2D untuk Aplikasi Penyimpanan Memori dan Logika
Upaya besar telah dilakukan untuk mencari perangkat spintronik 2D baru. Berdasarkan fungsi, perangkat spintronik 2D dapat diklasifikasikan sebagai perangkat penyimpanan memori atau logika. Di sini kita fokus pada beberapa perangkat spintronik 2D penting, termasuk MTJ 2D, sFET 2D, dan gerbang logika spin 2D.
MTJ 2D
Penemuan GMR membuka pintu untuk spintronik 2D. Namun, TMR memiliki rasio magnetoresistansi yang lebih tinggi daripada GMR, jadi TMR memiliki potensi yang lebih besar dalam aplikasi penyimpanan magnetik. Struktur TMR terdiri dari dua lapisan ferromagnetis dan lapisan insulator perantara, yang disebut MTJ. Probabilitas terowongan terkait dengan kepadatan status di dekat energi Fermi dalam lapisan ferromagnetis. Ketika dua lapisan magnetik paralel, kepadatan status yang serupa untuk setiap status spin dapat menyediakan lebih banyak status yang tersedia untuk terowongan, resulting in low resistance state. Sebaliknya, ketika lapisan antiparalel, ketidakcocokan antara saluran spin sumber dan sumber akan menghasilkan status resistensi tinggi. Beberapa masalah dalam MTJ tipisan tradisional membatasi pencapaian rasio TMR yang tinggi, seperti kualitas penghalang insulator dan stabilitas termal [102]. Materi 2D dengan kristal berkualitas tinggi dan antarmuka tajam dapat menawarkan jalur yang menjanjikan untuk mengatasi masalah ini dan bahkan mencapai beberapa fungsionalitas baru seperti filter spin.
Karpan et al. pertama kali mengeksplorasi lapisan grafena sebagai penghalang dalam MTJ vertikal dengan cara komputasi pada tahun 2007 [103]. Mereka menyarankan kecocokan antara struktur band grafena dan nikel, memprediksi polarisasi spin yang besar mendekati 100%, yang dapat menghasilkan TMR yang besar hingga 500%. Namun, hasil eksperimental selanjutnya menunjukkan bahwa MTJ berbasis grafena menunjukkan TMR yang sangat rendah. Dibandingkan grafena lapisan tunggal atau bilayer, MTJ beberapa lapisan menunjukkan sinyal TMR tertinggi hingga 31% dalam MTJ berbasis grafena [11, 15]. Selain grafena, beberapa materi 2D lainnya telah ditelidiki sebagai lapisan penghalang terowongan, termasuk h-BN insulator dan TMDCs semikonduktor [104, 105]. Piquemal-Banci et al. [63] memproduksi juncsi Fe/h-BN/Co di mana lapisan tunggal h-BN langsung tumbuh pada Fe dengan menggunakan metode depo uap kimia (CVD), mengamati sinyal spin yang besar dari TMR dan polarisasi spin P ~ 17%. MTJ berbasis MoS2 atau WSe2 dilaporkan hanya memiliki beberapa persen sinyal TMR; eksplorasi lebih lanjut diperlukan untuk mencapai rasio TMR yang tinggi.
Materi magnetik 2D yang muncul menunjukkan banyak properti mengejutkan. Ketika magnetisasi bilayer CrI3 diubah ke konfigurasi magnetik yang berbeda (Gambar 7a), MTJ berbasis CrI3 menunjukkan TMR raksasa yang dihasilkan oleh efek filter spin [101, 106, 107]. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7b, MTJ vdW 2D terdiri dari lapisan magnetik CrI3 2D sebagai penghalang terowongan filter spin, grafena sebagai elektroda kontak, dan h-BN sebagai lapisan enkapsulasi untuk mencegah degradasi perangkat. Hasil transport menunjukkan bahwa TMR meningkat seiring bertambahnya ketebalan lapisan CrI3, dan mencapai nilai 19.000% dalam MTJ berbasis CrI3 empat lapis pada suhu rendah (Gambar 7c) [101]. Selanjutnya, kelompok Xu juga melaporkan TMR yang dapat diatur oleh gate dalam struktur MTJ dual-gate berdasarkan empat lapisan CrI3. TMR dapat dimodulasi dari 17.000 hingga 57.000% dengan mengubah tegangan gate dalam medan magnetik yang konstan [108, 109]. Selain itu, dengan Fe3GeTe2 beberapa lapisan sebagai elektroda ferromagnetis, TMR dalam heterostruktur Fe3GeTe2/h-BN/Fe3GeTe2 dapat mencapai 160% pada suhu rendah [110]. Lebih menarik lagi, Zhou et al. melaporkan investigasi teoretis dari heterojuncion VSe2/MoS2/VSe2, di mana lapisan tunggal VSe2 bertindak sebagai ferromagnet suhu kamar, dan TMR yang besar dapat mencapai 846% pada 300 K [111]. Sebaliknya, konduktivitas Hall spin yang kuat dari MoS2 menawarkan potensi untuk memindahkan magnetisasi lapisan bebas VSe2 melalui SOT. Oleh karena itu, mereka mengusulkan konsep MTJ vdW SOT dengan operasi baca dan tulis yang lebih cepat, yang menawarkan peluang baru untuk perangkat spintronik 2D.
Reproduced with permission from Song et al., Science (2018). Copyright 2018 The American Association for the Advancement of Science [101]. c, d Reproduced with permission from Wen et al., Phys. Rev. Appl. 5, 044003 (2016). Copyright 2016 American Chemical Society [118]
Perangkat Spintronik 2D. a Status magnetik bilayer CrI3 dengan berbagai medan magnetik eksternal. b Ilustrasi skematis MTJ filter spin 2D dengan bilayer CrI3 yang disandwichek antara kontak grafena. c Arus terowongan MTJ filter spin bilayer CrI3 pada medan magnetik yang dipilih. Sisipan atas menunjukkan gambar optik perangkat, dan sisipan bawah menunjukkan skema konfigurasi magnetik dalam berbagai medan magnetik. d Diagram gerbang logika XOR 2D yang diusulkan, di mana A, B, dan M adalah elektroda ferromagnetis di atas saluran transport spin. Is dan Iout menunjukkan arus injeksi dan deteksi, masing-masing. Magnetisasi elektroda adalah input logika 1 dan 0. Arus yang terdeteksi Iout berfungsi sebagai output logika. eIout diukur sebagai fungsi dari H. Panah vertikal menunjukkan status magnetisasi A dan B. Sisipan kiri atas menunjukkan tabel operasi logika XOR. a, b
sFET 2D
Datta dan Das pertama kali mengusulkan ide sFET pada tahun 1990 [112]. sFET terdiri dari elektroda ferromagnetis sumber dan sumber, dan saluran gas elektron dua dimensi (2DEG) yang dapat dikontrol oleh gate listrik. Tegangan gate dapat menghasilkan precesi spin dan, sebagai konsekuensi, perubahan polarisasi spin arus pada saluran. Karena perpindahan arus melalui perangkat hanya membutuhkan sedikit energi dan waktu singkat, sFET diharapkan menjadi perangkat spintronik 2D dengan konsumsi daya rendah dan kecepatan komputasi tinggi.
Seperti yang disebutkan di bagian sebelumnya, grafena dengan konsentrasi penangkap muatan yang tinggi dan SOC yang lemah dianggap sebagai calon yang menjanjikan sebagai saluran transport spin [113]. Michetti et al. [76] merancang struktur field-effect transistor dual-gate, di mana grafena bilayer bertindak sebagai saluran transport. Analisis teoretis menunjukkan bahwa precesi spin penangkap muatan dalam saluran grafena dapat dinyalakan dan dimatikan dengan penerapan tegangan gate diferensial. Secara eksperimental, Avsar et al. pertama kali melaporkan struktur grafena bilayer dual-gate dengan h-BN sebagai lapisan dielektrik, di mana propagasi arus spin dalam saluran grafena bilayer dapat dikontrol dengan mengesankan medan listrik vertikal [114]. Hasil transport menunjukkan bahwa waktu relaksasi spin menurun monoton seiring bertambahnya konsentrasi penangkap muatan, dan sinyal spin menunjukkan penurunan cepat, akhirnya menjadi tidak terdeteksi dekat titik netralitas muatan. Perangkat spin field-effect yang sesuai memerlukan rasio perpindahan yang jelas, yang merupakan tantangan untuk grafena.
Untuk mengatasi masalah ini, heterostruktur grafena/MoS2 telah dikembangkan untuk mencapai saklar spin field-effect melalui penerapan tegangan gate. Dua kelompok independen menunjukkan bahwa tegangan gate yang diterapkan dapat mengubah konduktivitas MoS2 dan menghasilkan penyerapan spin selama transport spin, yang mengakibatkan perpindahan arus spin antara status ON dan OFF dalam saluran grafena [89]. Karena efisiensi injeksi spin yang rendah dan relaksasi spin yang cepat dalam saluran, adalah tantangan untuk mencapai rasio konduktivitas tinggi–rendah yang besar dalam perangkat sFET 2D. Namun, penemuan kristal magnetik 2D menyediakan peluang baru untuk mengeksplorasi perangkat spintronik 2D baru. Kelompok Kin Fai Mak melaporkan spin tunnel field-effect transistor (sTFET) berdasarkan heterostruktur grafena/CrI3/grafena dual-gate [115]. Dengan menggunakan bilayer CrI3 sebagai penghalang terowongan magnetik, tegangan gate yang diterapkan dapat beralih konfigurasi magnetisasi bilayer CrI3 dari status antiferromagnetis interlapisan ke status ferromagnetis di bawah medan magnetik konstan dekat transisi flip spin. Berbeda dengan spin transistor konvensional, perangkat ini bergantung pada kontrol listrik dari perpindahan konfigurasi magnetisasi daripada sinyal arus spin dalam saluran. Teknik ini memungkinkan perangkat sTFET untuk mencapai rasio konduktivitas tinggi–rendah yang mendekati 400%, yang menyediakan pendekatan baru untuk mengeksplorasi aplikasi memori.
Gerbang Logika Spin 2D
Dery dan Sham pertama kali melaporkan perangkat logika spin berdasarkan gerbang “eksklusif atau” (XOR) [116]. Struktur gerbang logika XOR termasuk saluran semikonduktor dan tiga terminal ferromagnetis. Operasi logika XOR dapat diimplementasikan dengan berbagai akumulasi spin, yang disebabkan oleh berbagai konfigurasi magnetisasi dari terminal input [117]. Secara eksperimental, gerbang logika XOR tiga terminal yang diusulkan mencapai operasi logika dalam perangkat spintronik grafena pada suhu kamar [117,118,119]. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7c, perangkat ini termasuk grafena lapisan tunggal sebagai saluran, dan tiga terminal ferromagnetis yang terdiri dari elektroda A, B, dan M Co dengan penghalang terowongan MgO. Magnetisasi elektroda A dan B mewakili status input 0 atau 1, dan arus elektroda M bertindak sebagai status output. Magnetisasi elektroda input A dan B akan diubah dengan mengubah medan magnetik eksternal yang diterapkan, yang menghasilkan berbagai akumulasi spin di elektroda M, yang sesuai dengan berbagai arus output. Jika elektroda input A dan B memiliki kontribusi yang identik terhadap elektroda output M, maka arus di terminal ferromagnetis output hanya memiliki nilai terdeteksi saat magnetisasi terminal ferromagnetis input adalah antiparalel (01 atau 10). Ketika magnetisasi terminal ferromagnetis input adalah paralel (00 atau 11), arus output hampir nol. Oleh karena itu, operasi logika XOR dapat dicapai (Gambar 7d).
Dery et al. lebih lanjut merancang gerbang logika magnetikonfigurasi yang dapat dikonfigurasi dengan struktur lima terminal yang menggabungkan dua gerbang XOR-XOR (A, X) dan XOR (B, Y) dengan terminal output bersama, M [119]. Mirip dengan gerbang logika XOR tiga terminal, konfigurasi magnetik yang berbeda dari elektroda input menghasilkan akumulasi spin yang berbeda di terminal output M, yang menghasilkan berbagai sinyal output. Dengan analogi, sejumlah terbatas gerbang XOR ini dapat digunakan untuk mengimplementasikan fungsi logika biner apa pun. Selanjutnya, kelompok lain memperluas desain teoretis ini ke studi eksperimental dengan membangun gerbang logika spin grafena [120,121,122]. Berbagai pemodelan, simulasi, dan eksplorasi eksperimental dari gerbang logika spin 2D telah membantu mempercepat kemajuan menuju pembuatan aplikasi logika spin praktis. Namun, dua masalah kunci masih ada dalam penelitian gerbang logika spin grafena. Yang pertama adalah menyeimbangkan kontribusi dari dua terminal input ke output satu. Yang lainnya adalah menghilangkan pengaruh sinyal latar belakang pada output.
Tantangan dan Peluang dalam Spintronik 2D
Seperti yang dibahas di atas, banyak penelitian teoretis dan eksperimental telah dilakukan untuk mengeksplorasi spintronik berbasis materi 2D, dan kemajuan yang signifikan telah dicapai [15, 123, 124]. Namun, tantangan besar masih perlu diatasi untuk aplikasi praktis dari aplikasi memori dan logika 2D. Kami sekarang membahas tiga di antaranya: mekanisme fisik, ilmu bahan, dan rekayasa perangkat.
Mekanisme Fisik
Karena kompleksitas eksperimen, penelitian teoretis yang diusulkan dan hasil eksperimental biasanya memiliki perbedaan yang besar. Misalnya, berdasarkan mekanisme relaksasi spin, teori memprediksi bahwa umur spin untuk grafena murni akan hingga 1 μs, sedangkan nilai eksperimental berkisar dari puluhan pikosekon hingga beberapa nanosekon [14, 57, 103]. Selain itu, efisiensi injeksi spin grafena yang diukur secara eksperimental berkisar dari beberapa persen hingga 10%, yang jauh lebih kecil dari nilai prediksi teoretis 60–80% [125]. Perbedaan ini menunjukkan bahwa mekanisme fisik yang lebih mendalam dan model teoretis yang akurat perlu diusulkan dan dikembangkan untuk lebih baik memandu arah penelitian dan menganalisis hasil eksperimental.
Ilmu Bahan
Materi 2D menyediakan platform ideal untuk membangun berbagai heterostruktur untuk aplikasi spintronik. Namun, masih ada banyak masalah utama dalam materi 2D. Misalnya, stabilitas adalah tantangan besar untuk materi 2D. Sebagian besar materi 2D dengan ketebalan mendekati tingkat atom rentan terhadap kelembaban, oksidasi, dan suhu, terutama materi magnetik 2D yang baru muncul, yang harus di-ekfoliasi dalam kotak sarung tangan dengan kadar air dan oksigen ultra rendah. Selain itu, sebagian besar magnet 2D yang saat ini tersedia bergantung pada ekfoliasi mekanis, dan suhu transisi magnetiknya jauh di bawah suhu kamar. Ini adalah keterbatasan yang signifikan karena stabilitas di udara, sintesis skala wafer yang nyaman, dan operasi di atas suhu kamar adalah prasyarat untuk materi 2D yang digunakan dalam aplikasi praktis.
Rekayasa Perangkat
Kecemerlangan telah dicapai dalam studi fundamental spintronik 2D, seperti peningkatan efisiensi injeksi spin dengan menggunakan penghalang terowongan 2D h-BN, panjang difusi spin hingga 30 μm pada suhu kamar dalam heterostruktur 2D berbasis grafena [13], dan TMR tinggi hingga 19.000% dengan menggunakan magnet 2D sebagai penghalang filter spin [101]. Berdasarkan studi perangkat spintronik 2D, menjanjikan untuk mengembangkan aplikasi perangkat hemat daya, termasuk memori magnetik canggih dan sirkuit logika spin, yang kompatibel dengan elektronik komplementer metal-oksida semiconductor (CMOS) yang ada. Namun, desain dan aplikasi perangkat spintronik 2D fungsional masih berada pada tahap prediksi teoretis awal dan bukti konsep.
Peluang
Spintronik 2D adalah bidang penelitian ilmiah yang penting dengan banyak potensi aplikasi untuk teknologi masa depan. Seperti yang disebutkan di atas, tantangan yang signifikan saat ini masih ada, tetapi juga ada banyak peluang. Katup spin berbasis grafena sebagai saluran transport spin dapat menunjukkan panjang difusi spin hingga 30 mm pada suhu kamar [13]. Juncsi terowongan magnetik dengan empat lapisan CrI3 sebagai penghalang terowongan filter spin menunjukkan TMR raksasa hingga 19.000% pada suhu rendah [101]. Suhu transisi magnetik Fe3GeTe2 dapat mencapai di atas suhu kamar melalui gate cairan ionik atau ketika disesuaikan oleh TI [99, 126]. Arus terpolarisasi spin dapat diinjeksikan dari WTe2 ke substrat magnetik melalui pembalikkan SOT [127]. Konsep baru dari spin tunnel field-effect transistor berdasarkan magnet 2D CrI3 juga telah diusulkan. Demonstrasi TMR raksasa, kontrol tegangan yang efisien dari magnetisme 2D, dan pembalikkan magnetisasi dalam magnet 2D oleh STT atau SOT semuanya membuka peluang untuk perangkat spintronik generasi mendatang yang potensial berdasarkan kristal vdW tipis secara atom [21, 100].
Kesimpulan
Studi tentang sifat magnetik materi 2D sangat berarti untuk perkembangan spintronik 2D. Interaksi magnetik dalam grafena dan TI hampir belum dieksplorasi, dan magnet 2D yang baru ditemukan juga menyediakan platform ideal untuk mempelajari magnetisme 2D. Kemajuan besar telah dicapai dalam spintronik 2D selama beberapa dekade terakhir, terutama dalam spintronik grafena. Namun, asal relaksasi spin dalam grafena masih merupakan pertanyaan terbuka utama, dan perbaikan lebih lanjut dalam umur spin dan panjang difusi spin masih menjadi arah penelitian yang penting untuk perangkat spintronik berbasis grafena. Aplikasi praktis dari perangkat spintronik 2D masih memerlukan penanganan tantangan besar, termasuk mekanisme fisik yang terkait, ilmu bahan, dan rekayasa perangkat. Perkembangan teknologi, perbaikan model teoretis, dan eksplorasi materi baru semuanya menyediakan lebih banyak peluang untuk aplikasi perangkat spintronik 2D generasi baru di masa depan.
Ketersediaan Data dan Bahan
Tidak dapat diterapkan.
Singkatan
2D:
Dua dimensi
GMR:
Efek magnetoresistance raksasa
STT-MRAM:
Memori acaks magnetoresistansi torsi transfer spin
