[论文解读] Van der Waals Magnet based Spin-Valve Devices at Room Temperature

Bing Zhao, Roselle Ngaloy+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2021

2D Materials and Applications参考文献 27被引用 4

一句话总结

本研究首次展示了基于范德华（vdW）磁体的室温自旋阀器件，采用Fe5GeTe2/石墨烯异质结构。其在室温下实现了约45%的负向隧道自旋极化，实现了横向器件结构中的电控自旋注入、输运、拉塞克进动和探测，为室温下全二维自旋电子学电路的发展铺平了道路。

ABSTRACT

The discovery of van der Waals (vdW) magnets opened up a new paradigm for condensed matter physics and spintronic technologies. However, the operations of active spintronic devices with vdW magnets are so far limited to cryogenic temperatures, inhibiting its broader practical applications. Here, for the first time, we demonstrate room temperature spin-valve devices using vdW itinerant ferromagnet Fe5GeTe2 in heterostructures with graphene. The tunnel spin polarization of the Fe5GeTe2/graphene vdW interface is detected to be significantly large ~ 45 % and negative at room temperature. Lateral spin-valve device design enables electrical control of spin signal and realization of basic building blocks for device application such as efficient spin injection, transport, precession, and detection functionalities. Furthermore, measurements with different magnetic orientations provide unique insights into the magnetic anisotropy of Fe5GeTe2 and its relation with spin polarization and dynamics in the heterostructure. These findings open opportunities for the applications of vdW magnet-based all-2D spintronic devices and integrated spin circuits at ambient temperatures.

研究动机与目标

• 克服基于vdW磁体的自旋电子学器件仅能在低温下工作的局限性。
• 在室温下展示基于范德华巡游铁磁体Fe5GeTe2的功能性自旋阀器件。
• 在横向器件架构中实现高效的电控自旋注入、输运、拉塞克进动和探测。
• 研究Fe5GeTe2的磁各向异性及其对异质结构中自旋极化和动力学的影响。
• 推动室温下全二维自旋电子学器件及集成自旋电路的实际应用。

提出的方法

• 利用Fe5GeTe2作为磁性通道、石墨烯作为自旋输运通道，制备横向自旋阀器件。
• 采用范德华外延生长技术，形成具有高质量隧穿特性的Fe5GeTe2/石墨烯界面。
• 在室温下通过铁磁接触实现自旋信号的电学测量，完成自旋注入与探测。
• 施加不同取向的外加磁场，以探测磁各向异性和自旋极化特性。
• 在不同磁构型下测量自旋进动和自旋寿命，以提取自旋动力学参数。
• 采用隧道自旋极化分析方法，量化室温下的自旋注入效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于范德华磁体的自旋阀器件能否在室温下有效工作？
• RQ2 在室温下，Fe5GeTe2/石墨烯界面的隧道自旋极化度大小和符号为何？
• RQ3 Fe5GeTe2的磁各向异性如何影响异质结构中的自旋极化和自旋输运？
• RQ4 横向自旋阀结构能否支持所有关键功能：自旋信号的注入、输运、进动和探测？
• RQ5 这些结果对全二维自旋电子学集成电路的发展有何重要意义？

主要发现

• 在室温下，Fe5GeTe2/石墨烯界面的隧道自旋极化度达到约45%，且符号为负，表明具有强自旋滤波效应。
• 成功实现了横向自旋阀器件在室温下的稳定运行，支持电控自旋信号的调控。
• 器件在单一全二维异质结构中展现出所有关键功能：高效的自旋注入、输运、进动和探测。
• 磁各向异性测量结果揭示了Fe5GeTe2的磁取向与其自旋极化和动力学特性之间存在强烈关联。
• 结果表明，Fe5GeTe2因其高自旋极化度和在常温环境下的稳定性，是室温自旋电子学应用的可行候选材料。
• 本工作标志着向可扩展、室温运行的全二维自旋电子学电路迈出了关键一步。