Modulatie van magnetoweerstandspolariteit in BLG/SL-MoSe2 heterostacks

Resultaten en discussie

Spin-Valve Junctions van BLG

In onze resultaten is BLG in verticale SVJ ingeklemd tussen Co- en NiFe-elektroden; het schema wordt getoond in Fig. 1a. Uit figuur S1a bevestigt het Raman-spectrum van het zwevende gebied BLG als de G, en 2D-pieken werden gevonden in de buurt van ~ 1585.5 en ~ 2710 cm ⁻¹ , respectievelijk, wat consistent is met een eerder rapport [24]. Bovendien wordt na FM-afzettingen het beeld van de scanning-elektronenmicroscopie (SEM) van de bovenzijde weergegeven in figuur S1b. Daarna temperatuurafhankelijk I-V kenmerken werden verkregen, zoals weergegeven in Fig. 1b (inzet) waar waardevolle informatie over het geleidingsgedrag van de SVJ werd aangetoond. Figuur 1b (inzet) toont de lineaire curven voor FM/BLG/FM, een indicatie van een ohms contact, wat consistent is met een eerder rapport [25]. De verandering in R vs B (in-plane) bij verschillende temperaturen werd waargenomen zoals weergegeven in figuur 1b. De twee elektroden werden magnetisch gescheiden en onafhankelijk geschakeld bij kamertemperatuur, waarbij MR wordt gedefinieerd als MR (%) =[(R _AP − R _P )/R _P ] × 100 (%). Hier, R _AP komt overeen met de weerstand wanneer de magnetisaties van de FM-lagen uitlijnen in een antiparallelle configuratie, en R _P is de weerstand wanneer de magnetisaties van de FM-lagen parallel zijn uitgelijnd. Omdat we vóór het uitgloeien de apparaten hebben gemeten en positieve magnetoweerstand hebben gevonden voor BLG SVJ, die respectievelijk lage en hoge weerstandstoestanden vertegenwoordigen als gevolg van parallelle en anti-parallelle uitlijning van magnetisaties van de FM-materialen. Figuur 1b toont de MR-sporen bij verschillende temperaturen door een constante stroomwaarde vast te stellen (I =10 μA). Er werd vastgesteld dat vóór het uitgloeien de MR-waarden van BLG monotoon toenamen van ~-0,75, ~-0,88, ~-0,95, ~-1,12 en ~-1,26% bij T =respectievelijk 300, 200, 100, 50 en 4 K, zoals weergegeven in Fig. 1c. Deze resultaten zijn echter consistent en relatief beter dan eerdere rapporten [26,27,28]. Een hogere magnetoweerstand werd waargenomen bij een lage temperatuur, wat typisch gedrag is van magnetische tunnelovergangen (MTJ's) die worden toegeschreven aan de excitatie van spingolven in FM-materialen [29]. Daarom verandert de BLG SVJ na uitgloeien van teken vanwege het doteringseffect van Co en NiFe aan zowel de boven- als onderkant van BLG, zoals weergegeven in figuur 1c (inzet). Belangrijk is dat na uitgloeien de MR wordt verhoogd tot ~-0,84, ~-0,98, ~-1,19, ~-1,35 en ~-1,49% bij T =respectievelijk 300, 200, 100, 50 en 4 K, zoals weergegeven in Fig. 1c. De spinpolarisatie is dus omgekeerd en suggereert een negatieve MR, die wordt toegeschreven aan ladingsoverdracht en door nabijheid geïnduceerde bandsplitsing in BLG, zoals weergegeven in figuur 1d [28].

een Schema van fabricage van apparaten waarbij ferromagnetische Co- en NiFe-metalen respectievelijk op de boven- en onderkant werden afgezet. b De verandering in R vs B-sporen vóór uitgloeien bij verschillende temperaturen (met I =10 μA). (Inzet) Stroom-spanningskarakteristieken van de BLG bij verschillende temperaturen zijn lineair en duiden op een ohms contact. c Temperatuurafhankelijke MR-waarden van de BLG voor en na uitgloeien bij vaste wisselstroom. (Inzet) De MR vs B van de Co/BLG/NiFe-junctie na uitgloeien op T =4 K. d Schematische tekening van spinafhankelijke toestandsdichtheid voor BLG. Bandsplitsing geeft een verschil in spin-up en spin-down carriers bij E _F . De dikke gestippelde rode lijn in het midden toont de ontkoppeling van van der Waals gebonden BLG

Door gloeien wordt de junctie compact en wordt de afstand tussen de lagen en de junctieweerstand kleiner (Figuur S3c); anders zouden er vóór het uitgloeien een paar angstrom (Å) gaten kunnen zijn die als isolatoren werken, het dopingmechanisme belemmeren en het door de nabijheid geïnduceerde bandsplitsingseffect omzeilen zoals gerapporteerd in een eerder rapport [28]. Bovendien zijn op Fermi-niveau spin-up-elektronen in de meerderheid in n-gedoteerd grafeen, terwijl spin-down-elektronen de meerderheid zijn in p-gedoteerd grafeen, dat een negatieve MR genereert. Om het dopingeffect van Co en NiFe te bevestigen, hebben we bovendien de veldeffecttransistoren van ongerepte BLG, Co-gedoteerde BLG en NiFe-gedoteerde BLG gefabriceerd, zoals weergegeven in figuur S3 (a, b). We hebben Ni₈₉ . gebruikt Fe₁₁ daarom kan Ni gemakkelijk p-type dopen, zoals eerder gemeld [30, 31]. De Dirac-metingen laten zien dat het ladingsneutraliteitspunt (CNP) van ongerept BLG in de buurt van + 4 V ligt. Na doping van BLG met Co en NiFe verschoof de CNP naar respectievelijk + 17 en − 11 V, wat de modulatie van Fermi-niveau onderschrijft van BLG, zoals weergegeven in afbeelding S3b.

Spin-Valve Junction van SL-MoSe₂

Bovendien is het optische beeld van SL-MoSe₂ overgebracht op het SiN-membraangat is weergegeven in figuur 2a. De hoogte van de geëxfolieerde MoSe₂ vlok, gemeten met atomaire krachtmicroscopie (AFM), en het hoogteprofiel suggereert ~  0.7 nm dik, zoals weergegeven in figuur S2a-b. In enkellaags geëxfolieerde MoSe₂ , de A_1g (buiten het vlak) Raman-modus wordt zachter tot ~ 240.6 cm ⁻¹ en de E ¹ _2g (in-plane) modus verstijft tot ~ 286.4 cm ⁻¹ , zoals weergegeven in figuur S2c, wat consistent is met de eerdere rapporten [32]. De junctieweerstand van Co/SL-MoSe₂ /NiFe spin-klepovergang wordt getoond in Fig. 2b, die afnam met afnemende temperatuur. Verder, in de lineaire I-V curven bij verschillende temperaturen, inzet van Fig. 2b onthult ook een ohms contact tussen de SL-MoSe₂ en de FM-elektroden. De lineaire I-V kenmerken suggereren dat de monolaag MoSe₂ fungeert als een geleidende dunne film in plaats van een tunnelbarrière tussen de elektroden. In Fig. 2c, de MR-lussen van Co/SL-MoSe₂ /NiFe zijn aangetoond bij verschillende temperaturen door een constante stroom te houden (I =10 μA), wat een positief spinsignaal genereert. Het schema van SL-MoSe₂ SVJ wordt weergegeven in figuur 2d. De temperatuurafhankelijke MR-waarden voor de Co/SL-MoSe₂ /NiFe-junctie worden getoond in Fig. 2d, waar wordt waargenomen dat MR afneemt naarmate de temperatuur stijgt.

een Optisch beeld van SL-MoSe₂ vlok op de top van het gat. b Verbindingsweerstand van SL-MoSe₂ bij verschillende temperaturen. (Inzet) Temperatuurafhankelijk I -V krommen van verticale Co/SL-MoSe₂ /NiFe SVJ demonstreert een metalen kruising. c De variatie van R vs B bij T =300, 200, 100, 50 en 4 K voor het uitgloeien. d De temperatuurafhankelijke MR-verhouding van Co/SL-MoSe₂ /NiFe voor en na gloeien bij vaste stroom. (Inzet) De schematische illustratie van het apparaat met SL-MoSe₂

In deze kruising zijn de MR-magnitudes bij I =10 μA wordt bepaald als ~ 0,37, ~ 0,56, ~ 0,76, ~ 1,2 en ~ 1,51% bij T =respectievelijk 300, 200, 100, 50 en 4 K. Bovendien zijn bij een vaste wisselstroom de MR-waarden van Co/SL-MoSe₂ /NiFe-junctie verbeterde lichtjes na het uitgloeien van de apparaten en bereikte tot ~-0.41, ~-0.6, ~-0.79, ~-1.4 en ~-1.56% bij T =respectievelijk 300, 200, 100, 50 en 4 K, zoals weergegeven in Fig. 2d. De verbetering van MR kan dus worden toegeschreven aan verbetering van de junctiekwaliteit, zoals aangegeven in figuur S3c, waar de junctieweerstand van alle apparaten aanzienlijk afnam na uitgloeien. Belangrijk is dat de polariteit van deze SL-MoSe₂ kruispunten bleven hetzelfde, aangezien Co en NiFe SL-MoSe₂ niet dopen genoeg om het Fermi-niveau te verschuiven van de geleidingsband naar de valentieband of vice versa. Daarom MoSe₂ toonde stabiele positieve spinpolarisatie aan beide grensvlakken.

Spin-Valve Junction van BLG/SL-MoSe₂ Heterstapel

De heterostack van atomair dunne 2D-materialen werd onderzocht vanwege de duidelijke spin-gepolariseerde transporteigenschappen. Verder is het optische beeld van BLG/SL-MoSe₂ heterostack op het SiN-gat wordt getoond in Fig. 3a. De temperatuurafhankelijke junctieweerstand wordt getoond in Fig. 3b (inzet bovenaan), waarbij de weerstand afneemt met afnemende temperatuur, wat wijst op een metalen junctie. Voor verdere bevestiging van het metaalgedrag hebben we de vier-sondegeometrie I-V . onderzocht karakteristiek bij T =4 K weergegeven in Fig. 3b (inzet onderaan). De Co/BLG/SL-MoSe₂ /NiFe-junctie vertoont een lineaire I-V kromming door een ohms contact. Vóór het uitgloeien toont Fig. 3b de positieve MR-sporen, die de positieve spinpolarisatie in Co/BLG/SL-MoSe₂ aantonen /NiFe. Na uitgloeien bleef het MR-teken echter positief (Fig. 3d, inzet) en de waarden stegen van ~ -0,42, ~ -0,63, ~ -0,85, ~-1,26 en ~-1,71% (Fig. 3d; vóór uitgloeien) tot ~ -0,49, ~ 1.13, ~ 1.65, ~ 1.81 en ~ 1.86% (Fig. 3d; na gloeien) bij T =respectievelijk 300, 200, 100, 50 en 4 K, zoals weergegeven in Fig. 3d. Hoge MR-waarden bij lage temperaturen zijn typisch gedrag van de spin-klepovergangen [33, 34]. De positieve MR in de Co/BLG/SL-MoSe₂ /NiFe-apparaten worden toegeschreven aan vergelijkbare positieve spinpolarisaties van beide interfaces:Co/BLG en SL-MoSe₂ /NiFe. In onze bevindingen verhelderen we de positieve spinpolarisatie in SL-MoSe₂ (Fig. 2c), terwijl in Co / BLG / NiFe spin-klepovergang, de Co / BLG-interface ook aanleiding geeft tot de positieve spinpolarisatie. Dus de netto polarisatie van Co/BLG/SL-MoSe₂ /NiFe-spin-klepovergangen zijn positief, wat schematisch wordt uitgelegd in Fig. 3c.

een Optisch microscopisch beeld van BLG/SL-MoSe₂ op een gat. b De temperatuurafhankelijke MR-lussen van Co/BLG/SL-MoSe₂ /NiFe-junctie bij vaste stroom (I =10 ). (Inzet bovenaan) De temperatuurafhankelijke junctieweerstand van Co/BLG/SL-MoSe₂ /NiFe. (Onderinzet) De lineaire I-V curve van Co/BLG/SL-MoSe₂ /NiFe-apparaat op T =4 K. c Schematische tekening van spinafhankelijke toestandsdichtheid voor BLG en SL-MoSe₂ heterostapels. Na het uitgloeien van de apparaten worden de Fermi-niveaus van BLG naast de Co of NiFe verschoven als gevolg van n-type of p-type dotering. d Voor en na uitgloeien, de MR-magnitudes als functie van de temperatuur voor de structuur van Co/BLG/SL-MoSe₂ /NiFe. (Inzet) Na uitgloeien, de temperatuurafhankelijke MR-lus van de Co/BLG/SL-MoSe₂ /NiFe-junctie bij een vaste stroom, I =10 μΑ

Om de rol van Co- en NiFe-doping met BLG te verduidelijken, hebben we bovendien een andere set heterostack-apparaten gefabriceerd, NiFe/BLG/MoSe₂ /Co. Voor het uitgloeien hebben we de MR-lussen gemeten die positieve magnetoweerstand beschreven, zoals weergegeven in figuur 4a. Belangrijk is dat na het uitgloeien de polariteit van NiFe/BLG/MoSe₂ /Co-junctie omgekeerd, zoals weergegeven in Fig. 4b. De negatieve polarisatie wordt toegeschreven aan hole-doping op het NiFe/BLG-interface en door nabijheid geïnduceerde bandsplitsing in BLG, wat de meerderheid van spin-down-elektronen induceert [28]. De temperatuurafhankelijke MR-waarden van de NiFe/BLG/MoSe₂ /Co SVJ's werden berekend (~ 0,12, ~ 0,24, ~ 0,48, ~ 0,86 en ~ 1,2% bij T =300, 200, 100, 50 en 4 K, vóór gloeien en ~ -0.56, ~ -0.75, ~ -0.98, ~ -1.42, en ~ -1,99% bij T =300, 200, 100, 50 en 4 K, na uitgloeien) zoals weergegeven in Fig. 4c. Het is opmerkelijk dat na uitgloeien de MR-waarden toenamen als gevolg van verminderde weerstand, openingen tussen lagen en verbeterd doteringsverschijnsel in BLG door NiFe. Verder, voor en na het uitgloeien van de netto polarisatie van NiFe/BLG/SL-MoSe₂ /Co SVJ is respectievelijk positief en negatief, wat schematisch wordt geïllustreerd in figuur 3c. Bovendien, na het uitgloeien van de stroomafhankelijke MR, verhoudingen van de NiFe/BLG/MoSe₂ /Co SVJ werden berekend zoals weergegeven in figuur 4d. Daarom werd gevonden dat met toenemende wisselstroom van I =10 μA tot I =50 μA, de MR-waarde daalde van ~-2,0 tot ~-1,71%. Deze reductie van MR is conventioneel en vanwege de spin-excitaties gelokaliseerd op de interfaces en de lokale valtoestanden in niet-magnetische spacer [13, 15, 35, 36]. Hiertoe hebben we een grafiek geplot die de MR-waarden (%) van al onze soorten apparaten gedurende dit project weergeeft en een consistente en herhaalbare trend aan het licht bracht, zoals weergegeven in afbeelding S4.

een Voor het uitgloeien volgt de MR als functie van het magnetische veld bij T =300, 4 K en I =10 μA. b Na uitgloeien volgt de MR-sporen vs. magnetisch veld, B, bij verschillende temperaturen. c Voor en na het uitgloeien zijn de MR-waarden bij T =300, 200, 100, 50 en 4 K. d De MR-magnitudes van NiFe/BLG/SL-MoSe₂ /Co bij verschillende stroomwaarden

Doping vanwege de FM-contacten [37] en bandsplitsing vanwege het nabijheidseffect creëren echter een verschil in de populatie van de spin-up en spin-down elektronen in grafeen [38, 39]. Na annealing zorgen de conformatie en het verbeterde contact tussen de FM-contacten en het aangrenzende dubbellaagse grafeen voor een effectieve ontkoppeling van grafeenlagen binnen een van der Waals-gebonden kristal met enkele lagen, zoals gerapporteerd in de gedraaide grafeendubbellagen waardoor twee elektronisch ontkoppelde dunnere grafenen [40] ]. Daarna worden deze twee duidelijk gedoteerde en nabije grafeenlagen spin-gepolariseerde elektroden, die de polariteit van magnetoweerstand bepalen.

Kortom, Co- en NiFe-FM's hebben respectievelijk n- en p-type doping in BLG. In combinatie met Co/BLG wordt het Fermi-niveau van BLG verplaatst naar de geleidingsband vanwege n-doping. Wanneer het Fermi-niveau van BLG in de geleidingsband ligt, neemt de dichtheid of populatie van de spin-up-elektronen toe in vergelijking met de spin-down-elektronen als gevolg van de nabijheid-geïnduceerde bandsplitsing van grafeen, wat uiteindelijk een positieve spinpolarisatie oplevert. Aan de andere kant, in NiFe / BLG-stack, verschoof het Fermi-niveau van BLG naar de valentieband en nabijheid-geïnduceerde bandsplitsing stimuleert de dichtheid van het spin-down-elektron, wat uiteindelijk een negatieve spinpolarisatie aantoont. Met name in onze experimenten wordt het nabijheid-geïnduceerde effect in BLG alleen prominent wanneer de apparaten worden uitgegloeid na metallisatie van de FM's, zoals op dezelfde manier wordt waargenomen in ref. [28]. Aanvankelijk waren we geïnteresseerd in het Fermi-niveau van SL-MoSe₂ die mogelijk kunnen bewegen als gevolg van het nabije contact van Co of NiFe na het gloeiproces. Maar verrassend genoeg bleef het consistent vanwege het magere dopingeffect op MoSe₂ . Het toonde stabiele positieve spinpolarisaties aan bij SL-MoSe₂ /NiFe en SL-MoSe₂ /Co-interfaces waardoor we het teken van MR gemakkelijk kunnen moduleren door NiFe of Co te selecteren met BLG in Co/BLG/SL-MoSe₂ /NiFe of NiFe/BLG/SL-MoSe₂ /Co knooppunten. Bovendien hebben we gevonden dat in ref. [28] wordt maximaal 1% MR waargenomen na annealing in BLG spin-valve junctie. Aan de andere kant hebben we in ons werk na uitgloeien een MR van ~-1,86% (86% groter dan die van ref. [28]) gevonden in Co/BLG/SL-MoSe₂ /NiFe en ~ 1.99% (99% groter dan die van ref. [28]) in NiFe/BLG/SL-MoSe₂ /Co-apparaten. Sindsdien hebben we geconcludeerd dat de manifestatie van BLG/SL-MoSe₂ junction biedt hoge MR-waarden in vergelijking met alleen BLG of SL-MoSe₂ , dus de basisfunctionaliteit van apparaatfabricage kan in de toekomst bijdragen aan het openen van een nieuwe weg voor logische en geheugenspintronische toepassingen.