Recente ontwikkelingen in tweedimensionale spintronica

Elementaire functionaliteiten van 2D Spintronic-apparaatbewerkingen

Recente ontwikkelingen in opkomende 2D-materialen en enkele geavanceerde karakteriseringstechnieken hebben ervoor gezorgd dat het veld van 2D-spintronica zich snel heeft kunnen ontwikkelen [51,52,53]. De belangrijkste problemen voor de realisatie van spintronische apparaten zijn spin-ladingconversie, spintransport en spinmanipulatie. Het efficiënt genereren en detecteren van spinstroom is de grootste uitdaging bij het ontwikkelen van 2D-spintronische apparaten die de elektrische apparaten vervangen. Spintransport vereist een geschikt transportkanaal met een lange spinlevensduur en spinpropagatie over lange afstanden. Spinmanipulatie is vereist om de spinstroom te regelen en apparaatfunctionaliteit te bereiken.

Spin–Charge-conversie

Er worden veel methoden voorgesteld om spin-naar-lading-conversie te bereiken, zoals door elektrische spin-injectie/-detectie of door gebruik te maken van het spin Hall-effect en Edelstein-effecten, die afkomstig zijn van de SOC [54.55.56]. Het spin Hall-effect komt echter meestal voor in bulkmaterialen, terwijl het Edelstein-effect meestal wordt beschouwd als een interface-effect [55].

De "niet-lokale" en "lokale" metingen worden vaak gebruikt om elektrische spin-injectie/detectie uit te voeren in een kanaalmateriaal [14]. Voor niet-lokale metingen (figuur 4a) is elektrode E2 een ferromagnetisch metaal als spin-injector en is E3 een ferromagnetische elektrode als spindetector. Een aangelegde stroom vloeit van de elektroden E1 naar E2 en E3 en E4 worden gebruikt om het diffuse zuivere spinstroomsignaal te detecteren. De polariteit van de gemeten spanning tussen E3 en E4 hangt af van de magnetisatieconfiguraties van elektrode E2 en E3. Deze methode kan een zuivere spinstroom zonder laadstroom verkrijgen, terwijl de "lokale" metingen een gemengd signaal krijgen van spinstroom en laadstroom (Fig. 4b). Het verschil in spanning tussen de parallelle en antiparallelle magnetisatie-uitlijningen van de elektroden E2 en E3 wordt beschouwd als het signaal van spintransport.

Overgenomen met toestemming van Han et al., Nat. Nanotechnologie. 9, 794 (2014). Copyright 2018 Nature Publishing Group [14]. c , d Gereproduceerd met toestemming van Mendes et al., Phys. ds. Lett. 115, 226601 (2015). Copyright 2015 American Chemical Society [68]. e , v Gereproduceerd met toestemming van Shao et al., Nano Lett. 16, 7514 (2016). Copyright 2016 American Chemical Society [71]

Spin- en laadconversie in 2D-materialen. een Elektrische spin-injectie en detectie met niet-lokale meetgeometrieën. b Elektrische spin-injectie en detectie met lokale meetgeometrieën. c Spin-to-charge conversie in grafeen op YIG, een ferromagnetische isolator. De spinstroom wordt gegenereerd door spinpompen van YIG en wordt omgezet in laadstroom in het grafeen. d Magnetische veldafhankelijkheid van de spinpompspanning gemeten op YIG/Graphene e SOT-metingen voor de MX₂ /CoFeB dubbellaag. De MX₂ staat voor MoS₂ en WSe₂ . v De illustratie van geïnduceerde spinaccumulatie door het Rashba-Edelstein-effect (REE) op het grensvlak van MX₂ /CoFeB onder een extern elektrisch veld. een , b

Heuvel et al. rapporteerde voor het eerst de injectie van spin in grafeen met behulp van zachte magnetische NiFe-elektroden [57]. De efficiëntie van spin-injectie wordt echter als relatief laag geschat, ongeveer 10%, wat kan worden toegeschreven aan de geleidingsmismatch tussen ferromagnetisch metaal en grafeen. Vervolgens stelden sommige onderzoekers voor om een ​​isolerende barrière zoals Al₂ . te gebruiken O₃ of MgO als een laag om de spin-afhankelijke weerstand van het grensvlak af te stemmen en de spin-injectie-efficiëntie te verbeteren [58,59,60], maar het kweken van een hoogwaardige oxidelaag is een grote uitdaging. Er zijn enkele methoden gebruikt om de groeitechniek van de oxidelaag te verbeteren of om over te gaan op een andere grensvlakoxidelaag, zoals een laag TiO₂ of HfO₂ [61, 62]. De grensvlak-spinafhankelijke weerstand is echter nog steeds het fundamentele probleem, wat leidt tot een lage spin-injectie-efficiëntie. Eén 2D-isolatiemateriaal, hexagonaal boornitride (h-BN), heeft een kristalstructuur die lijkt op die van grafeen. Theoretische en experimentele studies hebben aangetoond dat het gebruik van h-BN als tunnelbarrière een hoogwaardige interface kan produceren en de spin-injectie-efficiëntie van grafeen aanzienlijk kan verbeteren. Weinig-laags h-BN vertoont betere spin-injectieprestaties dan monolaag-h-BN [63, 64]. Toch laten deze onderzoeksresultaten nog een grote leemte achter voordat praktische toepassing mogelijk is. Uiteindelijk vereist het bereiken van een perfecte (100%) spin-injectie veel onderzoek, en 2D-materialen bieden een veelbelovende richting, zoals 2D-heterostructuren die zijn samengesteld uit 2D-ferromagnetische materialen, 2D-tunnelbarrières en 2D-transportkanalen.

Het (inverse) Rashba-Edelstein-effect is een interface-effect dat voortkomt uit de sterke SOC en kan worden gebruikt om spin-lading-conversie te bereiken [65]. Hoewel intrinsiek grafeen een nogal zwakke SOC heeft, kan het een efficiënte spin-ladingconversie bereiken door de sterke SOC van aangrenzend materiaal te gebruiken via nabijheidseffect [66, 67]. Zoals getoond in figuur 4c, wanneer grafeen grenst aan de ferromagnetische isolator YIG, wordt de spinstroom gegenereerd in de YIG-laag via spinpompen en vervolgens omgezet in een laadstroom in grafeen door het inverse Edelstein-effect [68]. Figuur 4d toont de spin-pompspanningscurves als functie van het veld in het YIG/grafeen-apparaat. De spin-pompspanningen kunnen worden gedetecteerd in het magnetische veld loodrecht op het grafeenkanaal. Bovendien, wanneer het externe magnetische veld langs het grafeenkanaal wordt gedraaid, is er geen spinpompspanning. Bovendien kan een ionische vloeistofpoort die op het grafeenoppervlak wordt toegepast duidelijk de eigenschappen van grafeen moduleren om de spin-naar-lading conversie-efficiëntie van YIG/grafeen [56] te veranderen.

In tegenstelling tot grafeen worden TMDC's met een sterke SOC beschouwd als veelbelovende materialen voor het bereiken van spinladingconversie [69, 70]. Een groot spin-orbit-koppel (SOT) in monolaag TMDC (MoS₂ of WSe₂ ) / CoFeB-dubbellaagstructuur werd gegenereerd via door stroom geïnduceerde spinaccumulatie veroorzaakt door het Rashba-Edelstein-effect (Fig. 4e, f) [71]. Het veldachtige koppel en het dempingskoppel werden bepaald via een tweede-harmonische meting, en de resultaten tonen aan dat monolaag-TMDC's met een groot oppervlak potentiële toepassingen hebben vanwege hun hoge efficiëntie voor het omkeren van magnetisatie. Daarnaast is de techniek van spin-torque ferromagnetische resonantie (ST-FMR) gebruikt om de spin- en ladingsconversie in TMDC's te onderzoeken. Een interessant ST-FMR-resultaat laat bijvoorbeeld zien dat de SOT kan worden gecontroleerd door de kristalsymmetrie van WTe₂ in WTe₂ / Permalloy dubbellagen. Wanneer stroom wordt aangelegd langs de lage-symmetrie-as van WTe₂ , kan een anti-dempingskoppel buiten het vlak worden gegenereerd [72]. De spin-impulsvergrendelingseigenschap in TI-oppervlaktetoestanden is nuttig om via SOT spinstroominjectie in aangrenzende materialen te bereiken. Vanwege de sterke correlatie tussen de spinpolarisatierichting en de laadstroomrichting, kan de spinrichting worden gemanipuleerd door de laadstroom in de TI's. Er zijn verschillende meettechnieken gebruikt om de spin-ladingconversie te onderzoeken, waaronder tweede harmonische meting, spinpompen en ST-FMR. Deze meetresultaten tonen aan dat het mogelijk is om efficiënte SOT te genereren in 2D-materialen zoals TMDC's en TI's.

Spintransport

De sleutel tot spintransport is het verkrijgen van een gunstig spintransportkanaal met een lange spindiffusielengte en spinrelaxatietijd. Spin-relaxatie wordt veroorzaakt door momentumverstrooiing, dus grafeen met een zwakke SOC wordt beschouwd als een ideaal materiaal voor spintransport [14, 73]. Tombros et al. [74] realiseerde elektronisch spintransport en spin-precessie in een laterale enkele grafeen-spinklep bij kamertemperatuur door niet-lokale meting in 2007. Zoals getoond in Fig. 5a, b, is de niet-lokale spinklep samengesteld uit vier-terminal ferromagnetisch kobalt als elektroden, een dunne Al₂ O₃ oxidelaag als barrière en een grafeenlaag als spintransportkanaal. Het meetsignaal in figuur 5c laat zien dat als de ferromagnetische elektroden voor spininjectie en spindetectie parallelle magnetisaties hebben, de niet-lokale weerstand gemeten door contacten 1 en 2 een positieve waarde heeft. Als de ferromagnetische elektroden voor spininjectie en spindetectie antiparallelle magnetisaties hebben, dan vertoont de niet-lokale weerstand een negatieve waarde. De Hanle-spinprecessie kan worden gebruikt om de spindiffusielengte en spin-levensduur te bepalen. Zoals getoond in Fig. 5d, is de spin-levensduur (τ _sf ) en spin-relaxatielengte (λ _sf ) zijn respectievelijk 125 ps en 1,3 m in een laterale enkele grafeen-spinklep bij kamertemperatuur. Bovendien kan de poort worden gebruikt om de lengte van de spin-relaxatie en de levensduur van de spin te verbeteren [75, 76]. Theorie voorspelde dat de spin-levensduur in ongerept grafeen 1 μs kan bereiken, terwijl de gerapporteerde experimentwaarden variëren van picoseconden tot enkele nanoseconden.

Overgenomen met toestemming van Tombros et al., Nature 448, 571 (2007 ). Copyright 2007 Nature Publishing Group [74]. e –u Gereproduceerd met toestemming van Avser et al., Nat. Fys. 13, 888 (2017). Copyright 2017 Nature Publishing Group [84]

Spintransport in laterale spinkleppen. een Niet-lokale spintransport meetgeometrieën. Er wordt een stroom geïnjecteerd vanaf elektrode 3 door de Al₂ O₃ barrière in grafeen en wordt geëxtraheerd bij contact 4. b Scanning-elektronenmicrofoto van een vier-terminale spinklep met enkellaags grafeen als spintransportkanalen en Co als vier ferromagnetische elektroden. c Niet-lokaal spinklepsignaal bij 4,2 K. De magnetische configuraties van de elektroden worden geïllustreerd voor beide zwaairichtingen. d Hanle-spinprecessie in de niet-lokale geometrie, gemeten als functie van het loodrechte magnetische veld B _z voor parallelle configuraties. e Schema's van een zwarte fosfor spinklep. De inzet toont de schema's van de heterostructuur. v Optisch beeld van het apparaat. g Niet-lokaal spinklepsignaal als functie van het magnetische veld in het vlak. De relatieve magnetisatie van de injector- en detectorelektroden wordt geïllustreerd door verticale pijlen, en de horizontale pijlen vertegenwoordigen de zwaairichtingen van het magnetische veld. u Hanle-spinprecessie in de niet-lokale geometrie, gemeten als functie van het loodrechte magnetische veld B _z voor parallelle en antiparallelle configuraties. De inzet toont de spin-precessie onder het aangelegde magnetische veld. een –d

Er worden veel verbeterde methoden gebruikt om de spindiffusielengte en de spinlevensduur te vergroten, en sommige apparaten vertonen al lange spindiffusielengtes in het micrometerbereik [13, 77, 78]. Grafeen dat epitaxiaal op SiC is gegroeid, heeft bijvoorbeeld een hoge mobiliteit, vertoont een spintransportefficiëntie tot 75% en een spindiffusielengte van meer dan 100 m [79]. De h-BN / grafeen / h-BN-heterostructuur vertoont een spintransport over lange afstand, waarbij de spindiffusielengte 30,5 m kan bereiken bij kamertemperatuur [13]. Spintransport in 2D-materialen kan worden beïnvloed door diffusie/drift, die kan worden gemoduleerd door het aanleggen van een elektrisch veld. Ingla-Aynés et al. [80] rapporteerde een spin-relaxatielengte tot 90 m in h-BN ingekapseld dubbellaags grafeen met behulp van carrier-drift. De zwakke SOC en nul-bandgap in intrinsiek grafeen beperken echter de vooruitzichten voor halfgeleidende spin-apparaten. Zwarte fosfor heeft een aanzienlijke directe bandgap en mobiliteit bij kamertemperatuur van 1000 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , waardoor het een ideaal halfgeleidend spintronisch materiaal is [81,82,83]. Avsar et al. [84] construeerde een laterale spinklep op basis van een ultradunne zwarte fosforplaat en mat de spintransporteigenschappen bij kamertemperatuur via de niet-lokale geometrie (Fig. 5e, f). Het elektronische spintransport in Fig. 5g laat zien dat als de magnetisatierichtingen van de ferromagneten veranderen, de niet-lokale weerstand een verandering heeft van ΔR ≈ 15Ω. Daarnaast vertoont de Hanle-spinprecessie spinrelaxatietijden tot 4 ns en spinrelaxatielengtes van meer dan 6 µm (Fig. 5h). Het spintransport in zwarte fosfor hangt nauw samen met de ladingsdragerconcentratie, dus het spinsignaal kan worden gecontroleerd door een elektrisch veld aan te leggen.

Spin-manipulatie

Het realiseren van de manipulatie van spin is de sleutel tot effectieve apparaatfunctionaliteit. Het toepassen van een poortspanning kan de dragerconcentratie in het materiaal regelen, wat kan worden gebruikt om de spinsignalen te manipuleren [85, 86]. Verschillende 2D-materialen als spintransportkanalen zijn onderzocht om de aanpassing van de spintransportparameters te realiseren via het aanleggen van een poortspanning. Door bias geïnduceerd grafeen kan bijvoorbeeld een spin-injectie en detectiepolarisatie tot 100% krijgen in ferromagneet / dubbellaagse h-BN / grafeen / h-BN heterostructuur [64]. A gate-tunable spin valve based on black phosphorus can reach a spin relaxation time in the nanosecond range and a long spin relaxation length [84]. For a semiconducting MoS₂ channel, applying a gate voltage can still get a relatively long spin-diffusion length, larger than 200 nm [70]. However, a suitable spin field-effect device requires a clear switching ratio, which is a challenge for graphene and even for semiconducting 2D materials [87, 88].

To solve this issue, a vdW heterostructure based on atomically thin graphene and semiconducting MoS₂ has been developed to achieve a spin field-effect switch via applying a gate voltage (Fig. 6a) [89]. In this structure, the superior spin transport properties of graphene and the strong SOC of MoS₂ are combined. The applied gate voltage can change the conductivity of MoS₂ and spin absorption during the spin transport, which results in switching of the spin current between ON and OFF states in the graphene channel (Fig. 6b). Another research effort produced a similar report about the graphene/MoS₂ vdW heterostructure. In this report, an electric gate control of the spin current and spin lifetime in the graphene/MoS₂ heterostructure was achieved at room temperature [90]. Moreover, that report pointed out that the mechanism of gate tunable spin parameters stemmed from gate tuning of the Schottky barrier at the MoS₂ /graphene interface and MoS₂ channel conductivity.

source contact. b Effective B _SO als een functie van V _g . The inset shows the surface carrier distribution in the Cr-TI layer under V _g  = − 10 V, + 3 V, and + 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]. v , g Reproduced with permission from Fan et al., Nat. Nanotechnol. 11, 352 (2016). Copyright 2016 Nature Publishing Group [96]

Spin manipulation. een Schematic illustration of a 2D spin field-effect switch based on a vdW heterostructure of graphene/MoS₂ with a typical nonlocal magnetoresistance measurement. b The nonlocal resistance R _nl switches between R _P en R _AP for parallel and antiparallel magnetization orientations of the Co electrodes. The spin signal is calculated as ΔR _nl = R _P − R _AP . c The plot with blue circles shows the gate modulation of the spin signal ΔR _nl . The solid black line represents the sheet conductivity of the MoS₂ als een functie van V _g . The insets show the spin current path in the OFF and ON states of MoS₂ . d Schematic illustration of SOT-induced magnetization switching in a Cr-doped TI bilayer heterostructure. The inset shows illustrations of the Hall bar device and the measurement setting. e Experimental results of SOT-induced magnetization switching by an in-plane direct current at 1.9 K while applying a constant in-plane external magnetic field B _j during the measurement. The inset shows an enlarged version of the circled part in the figure. v 3D schematic of the Hall bar structure of the Al₂ O₃ /Cr-TI/GaAs stack with a top Au gate electrode. A gate voltage of V _g can be applied between the top gate and the

Current-induced SOT is regarded as another efficient strategy to manipulate spin. The spin current, generated by the spin Hall effect within the heavy metals or the Rashba effect at the interfaces, can exert a spin torque to ferromagnets and thereby realize magnetization switching [91,92,93]. Efficient current-induced magnetization switching via SOT may lead to innovative spintronic applications. Due to strong SOC and time-inversion symmetry breaking, magnetically doped TIs are being considered as a promising material to manipulate spin signals via SOT [94]. Wang’s group first experimentally demonstrated a magnetization switching induced by an in-plane current in an epitaxial Cr-doped TI (Bi_0.5 Sb_0. 5)₂ Te₃ /(Cr_0.08 Bi_0.54 Sb_0.38 )₂ Te₃ bilayer film (Fig. 6c) [95]. The spin Hall angle in the Cr-doped TI film, ranging from 140 to 425, is almost three orders of magnitude larger than that in heavy metal/ferromagnetic heterostructures, and the critical switching current density is below 8.9 × 104 A cm ⁻² at 1.9 K (Fig. 6d). Furthermore, this team also reported an effective electric field control of SOT in a Cr-doped (Bi_0.5 Sb_0.42 )₂ Te₃ thin film epitaxially grown on GaAs substrate (Fig. 6e) [96]. The gate effect on the magnetization switching was investigated by scanning gate voltage under a constant current and an applied in-plane magnetic field in the film (Fig. 6f). The SOT intensity depends strongly on the spin-polarized surface current in the thin film, and it can be modulated within a suitable gate voltage range. The effective electric field control of SOT in the TI-based magnetic structures has potential applications in magnetic memory and logic devices.

In addition, electrical control of emerged 2D magnets has also been investigated. For example, utilizing electric fields or electrostatic doping can achieve the magnetic conversion of bilayer CrI₃ antiferromagnetic to ferromagnetic [97]. The coercivity and saturation field of few-layer Cr₂ Ge₂ Te₆ can be modulated via ionic liquid gating [98]. In contrast to magnetic semiconductor, electrostatic doping can be used to control the carrier concentrations of the ferromagnetic metal, and the ferromagnetic transition temperature of Fe₃ GeTe₂ can be dramatically raised to room temperature via an ionic gate [99]. The emergence and research of 2D magnets provide a new platform for engineering next-generation 2D spintronic devices.

Applications of 2D Spintronics

2D materials exhibit great potential for the engineering of next-generation 2D spintronic devices. Graphene with high electron/hole mobility, long spin lifetimes, and long diffusion lengths is a promising candidate for a spin channel. Moreover, graphene can gain magnetism by introducing adatoms, or magnetic proximity effect [23, 25]. The carrier density in proximity-induced ferromagnetic graphene can be modulated by gating, allowing to observe Fermi energy dependence of the anomalous Hall effect conductivity. This result can help understand the physical origin of anomalous Hall effect in 2D Dirac fermion systems. Realizing a ferromagnetic surface state in a TI is predicted to allow several prominent phenomena to emerge, such as the interfacial magnetoelectric effect [33], and the electric field-induced image magnetic monopole [34]. However, the current technology of inducing magnetism in TI is confined to low temperatures, which restrict its potential for applications. A key requirement for useful applications is the generation of room temperature ferromagnetism in the TI. The PNR result shows that the Bi₂ Se₃ /EuS bilayer has a ferromagnetic order at the interface, and this topologically enhanced interfacial ferromagnetism can persist up to room temperature [32]. The topological magnetoelectric response in such an engineered TI could allow efficient manipulation of the magnetization dynamics by an electric field, providing an energy-efficient topological control mechanism for future spin-based technologies.

The STT, and tunnel magnetoresistance (TMR) effects offer alternative approaches for write and read-out operations. The STT effect refers to the reorientation of the magnetization of ferromagnetic materials via the transfer of spin angular momenta. Efficient current-induced magnetization switching via SOT may lead to innovative spintronic applications [71, 100]. Due to strong SOC and time-inversion symmetry breaking, magnetically doped TIs are being considered as a promising material to manipulate spin signals via SOT [93]. TMR refers to magnetization-dependent magnetoresistance behavior. A high TMR ratio is the key to achieve spintronic devices with higher sensitivity, lower energy consumption. 2D materials with high-quality crystal and sharp interfaces can achieve some new functionalities such as spin filtering. The 2D vdW MTJ consists of a 2D magnetic CrI₃ layer as a spin filtering tunnel barrier, which reaches a value of TMR up 19,000% [101]. Progress in the fabrication of graphene-based and other 2D heterostructures has led to the optimization of long-distance spin diffusion (up to tens of micrometres), as well as directional guiding of the spin current [13, 64]. Spin manipulation, electrical gating [56], electrical field induced drift [80], SOT-induced switching [95, 96], and the magnetic proximity effect [25, 32] have been explored to develop next-generation MRAM.

2D Spintronic Devices for Memory Storage and Logic Applications

Great efforts have been made to search for new 2D spintronic devices. According to the function, 2D spintronic devices can be classified as memory storage or logic devices. Here we focus on several important 2D spintronic devices, including the 2D magnetic tunnel junction (MTJ), 2D spin field-effect transistor (sFET), and 2D spin logic gate.

2D MTJ

The discovery of the GMR opens the door for 2D spintronics. However, TMR has a stronger magnetoresistance ratio than GMR, so TMR holds greater potential in magnetic storage applications. The TMR structure consists of two ferromagnetic layers and an intermediate insulating layer, which is called the MTJ. The tunneling probability is related to the density of states near the Fermi energy in the ferromagnetic layers. When the two magnetic layers are parallel, the similar density of states for each spin-state can provide more available states for tunneling, resulting in a low resistance state. On the other hand, when the layers are antiparallel, a mismatch between spin channels of the source and sink will result in a high resistance state. Some issues in traditional thin-film MTJs limit the achievement of a high TMR ratio, such as the quality of the insulation barrier and the thermal stability [102]. 2D materials with high-quality crystal and sharp interfaces may offer promising routes to address these issues and even achieve some new functionalities such as spin filtering.

Karpan et al. first explored graphene layers as the barrier in vertical MTJ by computational means in 2007 [103]. They proposed a match between the band structure of graphene and that of nickel, predicting a large spin polarization close to 100%, which can result in a large TMR up to 500%. However, the subsequent experimental results show that the MTJs based on graphene exhibit a very low TMR. Compared to monolayer or bilayer graphene, the few-layer MTJ holds the highest recorded TMR signal of up to 31% in graphene-based MTJs [11, 15]. In addition to graphene, some other 2D materials have been explored as tunneling barrier layers, including insulating h-BN and semiconducting TMDCs [104, 105]. Piquemal-Banci et al. [63] fabricated Fe/h-BN/Co junctions where the h-BN monolayer was directly grown on Fe by using the chemical vapor deposition (CVD) method, observing large spin signals of TMR and the spin polarization of P  ~ 17%. MTJs based on MoS₂ or WSe₂ were reported to have only a few percent of the TMR signal; further exploration is needed to achieve a high TMR ratio.

Emerging 2D magnetic materials exhibit many surprising properties. When the magnetizations in bilayer CrI₃ are switched to different magnetic configurations (Fig. 7a), the MTJ based on CrI₃ exhibits a giant TMR produced by the spin-filtering effect [101, 106, 107]. As demonstrated in Fig. 7b, the 2D vdW MTJ consists of a 2D magnetic CrI₃ layer as a spin filtering tunnel barrier, graphene as a contact electrode, and h-BN as an encapsulation layer to prevent device degradation. The transport result shows that the TMR is enhanced as the CrI₃ layer thickness increases, and it reaches a value of 19,000% in four-layer CrI₃ based MTJ at low temperature (Fig. 7c) [101]. Subsequently, Xu’s group also reported gate-tunable TMR in a dual-gated MTJ structure based on four-layer CrI₃ . The TMR can be modulated from 17,000 to 57,000% by varying the gate voltages in a fixed magnetic field [108, 109]. Moreover, with few-layer Fe₃ GeTe₂ serving as ferromagnetic electrodes, the TMR in Fe₃ GeTe₂ /h-BN/Fe₃ GeTe₂ heterostructures can reach 160% at low temperature [110]. More interestingly, Zhou et al. reported a theoretical investigation of a VSe₂ /MoS₂ /VSe₂ heterojunction, where the VSe₂ monolayer acts as a room-temperature ferromagnet, and the large TMR can reach 846% at 300 K [111]. On the other hand, the strong spin Hall conductivity of MoS₂ holds potential to switch the magnetization of the VSe₂ free layer by SOT. Therefore, they put forward the concept of SOT vdW MTJ with faster reading and writing operations, which offers new opportunities for 2D spintronic devices.

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]

2D spintronic Devices. een Magnetic states of bilayer CrI₃ with different external magnetic fields. b Schematic illustration of a 2D spin-filter MTJ with bilayer CrI₃ sandwiched between graphene contact. c Tunneling current of a bilayer CrI₃ sf-MTJ at selected magnetic fields. The top inset shows an optical image of the device, and the bottom inset shows the schematic of the magnetic configuration in different magnetic fields. d Diagram of a proposed 2D XOR spin logic gate, where A, B, and M are ferromagnetic electrodes on top of a spin transport channel. Ik _s en ik _uit denote the injection and detection currents, respectively. The magnetizations of the electrodes are input logic 1 and 0. The detected current I _uit serves as the logic output. e Ik _uit measured as a function of H . Vertical arrows indicate the magnetization states of A and B. The top-left inset shows the table of XOR logic operation. een , b

2D sFET

Datta and Das first proposed the idea of the sFET in 1990 [112]. The sFET consists of the source and sink ferromagnetic electrodes, and a two-dimensional electron gas (2DEG) channel which can be controlled by an electrical gate. The gate voltage can result in a spin precession and, consequently, a change in the spin polarization of the current on the channel. Since switching the current through the device requires only little energy and a short time, sFET is expected to be a 2D spintronic device with low power consumption and high computing speed.

As mentioned in the previous section, graphene with high carrier concentration and weak SOC is considered to be a promising candidate as a spin transport channel [113]. Michetti et al. [76] designed a double-gate field-effect transistor structure, where bilayer graphene acts as the transport channel. Theoretical analysis shows that the spin precession of carriers in the graphene channel can be turned on and off by the application of a differential gate voltage. Experimentally, Avsar et al. first reported a dual-gated bilayer graphene structure with h-BN as a dielectric layer, where the spin current propagation in bilayer graphene channel can be controlled by exerting a vertical electric field [114]. The transport results show that the spin-relaxation time decreases monotonically as the carrier concentration increases, and the spin signal exhibits a rapid decrease, eventually becoming undetectable close to the charge neutrality point. A suitable spin field-effect device requires a clear switching ratio, which is a challenge for graphene.

To solve this issue, a graphene/MoS₂ heterostructure has been developed to achieve a spin field-effect switch via applying a gate voltage. Two independent groups demonstrated that the applied gate voltage can change the conductivity of MoS₂ and result in spin absorption during the spin transport, which gives rise to switching the spin current between ON and OFF states in the graphene channel [89]. Due to the low spin injection efficiency and rapid spin relaxation in channels, it is a challenge to achieve a large high-to-low conductance ratio in 2D sFET device. However, the discovery of 2D magnetic crystals provides new opportunities to explore new 2D spintronic devices. Kin Fai Mak’s group reported a spin tunnel field-effect transistor (sTFET) based on a dual-gated graphene/CrI₃ /graphene heterostructure [115]. By using bilayer CrI₃ as a magnetic tunnel barrier, the applied gate voltage can switch magnetization configurations of bilayer CrI₃ from interlayer antiferromagnetic to ferromagnetic states under a constant magnetic field near the spin-flip transition. Distinct from conventional spin transistors, these devices rely on electrically controlling the magnetization configuration switching rather than the signal of spin current in the channel. This technique allows the sTFET devices to achieve a large high–low conductance ratio approaching 400%, which provides a new approach for exploring memory applications.

2D Spin Logic Gate

Dery and Sham first reported a spin logic device based on an “exclusive or” (XOR) gate [116]. The XOR logic gate structure includes a semiconductor channel and three ferromagnetic terminals. An XOR logic operation can be implemented by different spin accumulations, which is caused by different magnetization configurations of the input terminals [117]. Experimentally, the proposed three-terminal XOR logic gate achieved logical operations in a graphene spintronic device at room temperature [117,118,119]. As shown in Fig. 7c, the device includes single-layer graphene as the channel, and three ferromagnetic terminals composed of A, B, and M Co electrodes with MgO tunnel barriers. The magnetization of the electrodes A and B represents the input states 0 or 1, and the current of the electrode M acts as the output state. The magnetizations of input electrodes A and B will be switched by varying an applied external magnetic field, which results in a different spin accumulation in the M electrode, corresponding to a different output current. If the input A and B electrodes have identical contributions to the output M electrode, then the current in the output ferromagnetic terminal has a detectable value only when the magnetization of input ferromagnetic terminals are antiparallel (01 or 10). When the magnetizations of the input ferromagnetic terminals are parallel (00 or 11), the output current is almost zero. Therefore, the XOR logic operation can be achieved (Fig. 7d).

Dery et al. further designed a reconfigurable magnetologic gate with five-terminal structure combining two XOR gates-XOR (A, X) and XOR (B, Y) with a shared output terminal, M [119]. Similar to the three-terminal XOR logic gate, the different magnetic configurations of input electrodes give rise to the different spin accumulation in the output terminal M, which results in different output signals. By analogy, a finite number of these XOR gates can be used to implement any binary logic function. Subsequently, other groups extended this theoretical design to experimental studies by constructing graphene spin logic gates [120,121,122]. Various modeling, simulation, and experimental explorations of 2D spin logic gates have helped to accelerate the progress toward building practical spin logic applications. However, two key issues remain in the research of graphene spin logic gates. The first one is to balance the contributions of two input terminals to the output one. The other one is to eliminate the influence of background signals on the output.

Challenges and Opportunities in 2D Spintronics

As discussed above, much theoretical and experimental research has been carried out to explore spintronics based on 2D materials, and considerable progress has been achieved [15, 123, 124]. However, great challenges still need to be addressed for the practical application of 2D memory and logic applications. We now discuss three of these:physical mechanisms, materials science, and device engineering.

Physical Mechanisms

Due to the complexity of the experiments, the proposed theoretical research and experimental results usually have large discrepancies. For example, based on the mechanism of spin relaxation, theory predicted that the spin lifetime for pristine graphene would be up to 1 μs, whereas experimental values range from tens of picoseconds to a few nanoseconds [14, 57, 103]. Furthermore, the spin injection efficiency of graphene measured experimentally ranges from a few percent to 10%, which is far smaller than the theoretical prediction value of 60–80% [125]. These differences indicate that more in-depth physical mechanisms and accurate theoretical models need to be proposed and developed to better guide the research direction and analyze the experimental results.

Materials Science

2D materials provide an ideal platform to construct various heterostructures for spintronic applications. However, there are still many major problems in 2D materials. For example, stability is a great challenge for 2D materials. Most 2D materials of thickness close to the atomic level are susceptible to moisture, oxygenation, and temperature, especially the recently emerging 2D magnetic materials, which must be peeled off in a glove box with ultra-low water and oxygen content. Besides this, most currently available 2D magnets rely on mechanical exfoliation, and their low magnetic transition temperature is far below room temperature. These are significant limitations because stability in air, convenient wafer-scale synthesis, and operation above room temperature are prerequisites for 2D materials used in practical applications.

Device Engineering

Breakthroughs have been made in the fundamental study of 2D spintronics, such as enhanced spin injection efficiency by using 2D tunnel barriers h-BN, long spin diffusion length up to 30 μm at room temperature in graphene-based 2D heterostructures [13], and high TMR up to 19,000% by using 2D magnets as spin filter barriers [101]. Based on the study of 2D spintronic devices, it is promising to develop the low-power device applications, including advanced magnetic memories and spin logic circuits, which are compatible with the existing complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) electronics. However, the design and application of functional 2D spintronic devices are still in the early theoretical prediction and proof-of-concept stage.

Opportunities

2D spintronics is an important scientific research field with many potential applications for future technologies. As mentioned above, considerable challenges currently remain, but there are also many opportunities. Spin valves based on graphene as the spin transport channel can exhibit a long spin diffusion length up to 30 mm at room temperature [13]. Magnetic tunnel junctions with four-layer CrI₃ as spin filter tunneling barriers show giant TMR up to 19,000% at low temperatures [101]. The magnetic transition temperature of Fe₃ GeTe₂ can reach above room temperature via an ionic liquid gate or when tailored by a TI [99, 126]. Spin-polarized current can be injected from WTe₂ into magnetic substrates by SOT switching [127]. New concepts of spin tunneling field-effect transistors based on 2D magnets CrI₃ have been proposed as well. The demonstration of giant TMR, the efficient voltage control of 2D magnetism, and the magnetization switching in 2D magnets by STT or SOT all open up opportunities for potential next-generation spintronic devices based on atomically thin vdW crystals [21, 100].

Conclusie

The study about the magnetic properties of 2D materials is of great significance to the development of 2D spintronics. The magnetic interaction in graphene and TIs has scarcely been explored, and recently discovered 2D magnets also provide an ideal platform to study 2D magnetism. Great progress has been made in 2D spintronics in recent decades, especially in graphene spintronics. However, the origin of spin relaxation in graphene is still a major open question, and further improvement in the spin lifetime and spin diffusion length remains an important research direction for graphene-based spintronic devices. The practical application of 2D spintronic devices still requires meeting great challenges, including related physical mechanisms, materials science, and device engineering. The development of technology, the improvement of theoretical models, and the exploration of new materials all provide more opportunities for new-generation 2D spintronic device applications in the future.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Niet van toepassing.

Afkortingen

2D:

Tweedimensionaal

GMR:

Giant magnetoresistance effect

STT-MRAM:

Spin-transfer-torque magnetoresistive random-access memory

vdW:

Van der Waals

SOC:

Spin-baan koppeling

TMDC's:

Overgangsmetaal dichalcogeniden

TIs:

Topologische isolatoren

SQUID:

Supergeleidend kwantuminterferentieapparaat

YIG:

Yttrium iron garnet

QAHE:

Quantum anomalous Hall effect

PNR:

Spin-polarized neutron reflectivity

MOKE:

Magneto-optical Kerr effect

MBE:

Moleculaire bundelepitaxie

h-BN:

Zeshoekig boornitride

SOT:

Spin–orbit torque

ST-FMR:

Spin-torque ferromagnetic resonance

MTJ:

Magnetic tunnel junction

sFET:

Spin field-effect transistor

TMR:

Tunneling magnetoresistance

CVD:

Chemische dampafzetting

2DEG:

Tweedimensionaal elektronengas

sTFET:

Spin tunnel field-effect transistor

XOR:

Exclusive or

CMOS:

Complementary metal-oxide semiconductor