[논문 리뷰] Reversible Non-Volatile Electronic Switching in a Near Room Temperature van der Waals Ferromagnet

Han Wu, Lei Chen외 38명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 06.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 열처리 및 급냉을 통해 철-위치 점결함의 순서를 제어함으로써, 근접 실온에서의 벤더발 페로자성체인 Fe5−δGeTe2에서 두 개의 고유한 결정상 사이의 가역적이고 비버니셔 전자 스위칭을 입증한다. 이 스위칭은 위상적 전이를 유도하며, 비순서 상태는 대칭 보호된 노드 라인을 포함하고, 순서 상태는 평탄한 밴드와 반전 대칭의 파기로 인해 위상적 및 스핀트로닉스 응용에 핵심적인 전자 구조적 차이를 나타낸다.

ABSTRACT

The ability to reversibly toggle between two distinct states in a non-volatile method is important for information storage applications. Such devices have been realized for phase-change materials, which utilizes local heating methods to toggle between a crystalline and an amorphous state with distinct electrical properties. To expand such kind of switching between two topologically distinct phases requires non-volatile switching between two crystalline phases with distinct symmetries. Here we report the observation of reversible and non-volatile switching between two stable and closely-related crystal structures with remarkably distinct electronic structures in the near room temperature van der Waals ferromagnet Fe$_{5-δ}$GeTe$_2$. From a combination of characterization techniques we show that the switching is enabled by the ordering and disordering of an Fe site vacancy that results in distinct crystalline symmetries of the two phases that can be controlled by a thermal annealing and quenching method. Furthermore, from symmetry analysis as well as first principle calculations, we provide understanding of the key distinction in the observed electronic structures of the two phases: topological nodal lines compatible with the preserved global inversion symmetry in the site-disordered phase, and flat bands resulting from quantum destructive interference on a bipartite crystaline lattice formed by the presence of the site order as well as the lifting of the topological degeneracy due to the broken inversion symmetry in the site-ordered phase. Our work not only reveals a rich variety of quantum phases emergent in the metallic van der Waals ferromagnets due to the presence of site ordering, but also demonstrates the potential of these highly tunable two-dimensional magnets for memory and spintronics applications.

연구 동기 및 목표

• 2D 반데르발스 페로자성체에서 두 전자 상태 사이의 비버니셔, 가역적 스위칭을 달성하기 위해.
• 철-위치 점결함의 순서가 서로 다른 대칭성을 가지는 두 개의 고유한 결정상 안정화에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 점결함 순서화된 상태와 비순서 상태 사이의 전자 및 위상적 특성 차이를 탐색하기 위해.
• 저전력 전자 및 스핀트로닉스 장치에 적합한 외부 전기장이 필요 없는 열적 구동 스위칭 메커니즘을 시현하기 위해.
• 점결함 매개 위상 대칭 붕괴를 일반적인 방법으로 삼아 양자 물질에서 특이한 위상적 상태를 설계할 수 있음을 확립하기 위해.

제안 방법

• 장치 제작을 위한 플럭스 성장 및 기계적 분리 방법을 통해 고질적 단일 결정 Fe5−δGeTe2의 합성.
• 철-위치 점결함의 순서화 및 비순서화를 가역적으로 제어하기 위한 열처리 및 급냉 사이클의 사용.
• 양자역학적 밴드 구조를 맵핑하기 위해 각각의 상에 대해 각도 분 giải 광전자 방출 분광법(ARPES)을 활용.
• X선 회절, 투과형 전자현미경(TEM), 스캐닝 전자현미경(STEM)을 활용하여 구조적 및 대칭적 차이를 확인.
• 대칭 분석 및 최초 원리 계산을 수행하여 위상적 노드 라인과 평탄한 밴드의 기원을 설명.
• 구조적 대칭 붕괴 및 상전이를 탐사하기 위해 제2차 고조파 생성(SHG) 및 광학 현미경을 활용.

Figure 1: Phase-tuning in Fe 5-δ GeTe 2 . a , Crystal structure of Fe 5 GeTe 2 with atomic sites labeled. Fe(1) and Ge are modeled as split sites, marked by half-filled circles to represent 50% occupancy. b-d , Schematic and procedures for tuning global symmetry via sublattice ordering. The two quan

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 전기장이나 전류 없이 2D 반데르발스 페로자성체에서 두 개의 고유한 전자 상태 사이의 가역적 비버니셔 스위칭이 가능할 수 있는가?
• RQ2 철-위치 점결함의 순서화가 Fe5−δGeTe2의 결정 대칭성과 전자 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비순서 상태에서의 위상적 노드 라인과 순서 상태에서의 평탄한 밴드의 기원은 무엇인가?
• RQ4 대칭 붕괴와 양자 간섭 효과는 두 상에서 전자 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 점결함 순서 전이가 양자 물질에서 고유한 위상적 상태에 접근하는 일반적인 메커니즘으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 열처리 및 급냉을 통해 Fe5−δGeTe2에서 두 안정된 결정상 사이의 가역적 비버니셔 스위칭이 달성되었으며, 이 스위칭은 실온 이상에서 발생한다.
• 점결함 비순서 상태는 유지된 전역 반전 대칭성에 의해 보호되는 위상적 노드 라인을 나타내며, 대칭 분석과 ARPES를 통해 확인되었다.
• 점결함 순서 상태는 이원격망에서의 양자 간섭성 파괴로 인해 평탄한 밴드를 나타내며, 반전 대칭의 파기로 인해 위상적 degeneracy가 해소된다.
• 최초 원리 계산은 두 상이 극명하게 다른 전자 구조를 가지며, 특히 순서 상태에서 전자 상호작용 효과가 강화됨을 확인하였다.
• 이 스위칭 메커니즘은 비버니셔이며 외부 전기장, 응력, 압력을 필요로 하지 않아 에너지 효율적이며 장치 통합에 적합하다.
• 점결함 순서 전이가 내재된 위치 결함을 가진 다른 양자 물질에서 위상적 및 상관 전자 상태를 설계하는 일반적인 길을 제공한다.

Figure 2: Topological nodal lines in the slow-cooled site-disordered phase. a , Schematic showing Dirac cones at K and K’ on a 2D projected BZ plane. b , Fermi surface mapping with LV polarized photons. The red line outlines the 2D BZ boundary and the white dashed line marks the electron pocket surr