Neueste Fortschritte in der zweidimensionalen Spintronik

Einführung

Mit der Entdeckung und Anwendung des Riesenmagnetowiderstandseffekts (GMR) hat sich die Spintronik schnell zu einem attraktiven Gebiet entwickelt, das darauf abzielt, den Spinfreiheitsgrad von Elektronen als Informationsträger zu nutzen, um Datenspeicherung und logische Operationen zu erreichen [1,2,3 ]. Im Vergleich zu herkömmlichen auf Ladung basierenden mikroelektronischen Vorrichtungen benötigen spintronische Vorrichtungen weniger Energie, um einen Spin-Zustand zu schalten, was zu einer höheren Betriebsgeschwindigkeit und einem geringeren Energieverbrauch führen kann. Daher ist Spintronik die vielversprechendste Technologie zur Entwicklung alternativer multifunktionaler, schneller und energiesparender elektronischer Geräte. Obwohl ein magnetoresistiver Spin-Transfer-Torque-Speicher mit wahlfreiem Zugriff (STT-MRAM) kommerziell hergestellt wurde, müssen noch verschiedene technische Probleme gelöst werden. Zu den größten Herausforderungen zählen die effiziente Erzeugung und Injektion spinpolarisierter Ladungsträger, die Übertragung von Spin über große Entfernungen sowie die Manipulation und Erkennung der Spinrichtung [4,5,6].

Parallel zum Boom der Spintronik stehen zweidimensionale (2D) van der Waals (vdW) Materialien seit der Isolierung von Graphen an der Spitze der Materialforschung [7,8,9]. Anders als ihre Schüttgüter weisen 2D-vdW-Materialien viele neuartige physikalische Phänomene auf. Einige 2D-Materialien haben bereits großes Potenzial für die Entwicklung von 2D-spintronischen Geräten der nächsten Generation gezeigt [10,11,12]. Graphen beispielsweise weist eine hohe Elektronen-/Loch-Mobilität, lange Spinlebensdauern und lange Diffusionslängen auf, was es zu einem vielversprechenden Kandidaten für einen Spinkanal macht [13,14,15]. Aufgrund seiner Eigenschaften der Nulllücke und der schwachen Spin-Bahn-Kopplung (SOC) hat Graphen jedoch Einschränkungen beim Bau von graphenbasierten Stromschaltern. Im Gegensatz dazu haben 2D-Übergangsmetalldichalkogenide (TMDCs) unterschiedliche Bandlücken, einen starken SOC-Effekt und insbesondere eine einzigartige Spin-Valley-Kopplung, die eine Plattform zur Manipulation von Spin- und Valley-Freiheitsgraden für die nichtflüchtige Informationsspeicherung bietet [16, 17]. Topologische Isolatoren (TIs) mit topologisch geschützten Oberflächenzuständen haben starke Spin-Bahn-Wechselwirkungen, um eine Spin-Impuls-Verriegelung zu erreichen, die Streuung unterdrücken und die Spin- und Ladungskonversionseffizienz verbessern kann [4, 12, 18]. Neue 2D-Magnete mit intrinsischen magnetischen Grundzuständen bis hinunter zu Atomschichtdicken eröffnen neue Wege für neuartige 2D-Spintronikanwendungen [19,20,21].

Bei der Entwicklung der 2D-Spintronik ist es notwendig, die neuesten experimentellen und theoretischen Arbeiten auf diesem Gebiet zu überprüfen. In diesem Artikel wurde der Fortschritt der 2D-Spintronik besprochen und einige aktuelle Herausforderungen und zukünftige Chancen in diesem aufstrebenden Gebiet diskutiert. Der erste Abschnitt befasst sich mit Magnetismus in 2D-Materialien, einschließlich induzierter magnetischer Momente in Graphen, TIs und einigen anderen 2D-Materialien über die Methoden der Dotierung oder des Proximity-Effekts sowie einiger intrinsischer 2D-Magnete. Der zweite Abschnitt stellt die drei elementaren Funktionalitäten vor, um Operationen von 2D-Spintronikvorrichtungen zu erreichen, einschließlich Spin-Ladungs-Umwandlung, Spintransport und Spin-Manipulation in 2D-Materialien und an deren Grenzflächen. Der dritte Abschnitt gibt einen Überblick über Anwendungen der 2D-Spintronik. Der vierte Abschnitt stellt mehrere potenzielle 2D-Spintronik-Bauelemente für Speicher- und Logikanwendungen vor. Im letzten Abschnitt werden einige aktuelle Herausforderungen und zukünftige Möglichkeiten in der 2D-Spintronik diskutiert, um eine praktische Anwendung zu erreichen.

Magnetismus in 2D-Materialien

Magnetismus hat wichtige Bedeutungen in Datenspeichertechnologien. Die meisten 2D-Materialien wie Graphen sind jedoch nicht intrinsisch magnetisch. Es wurden zwei Verfahren vorgeschlagen, um nichtmagnetische Materialien magnetisch zu machen. Die erste Methode besteht darin, eine Spinpolarisation durch Einführung von Leerstellen oder Hinzufügen von Adatomen zu erzeugen [22,23,24]. Die andere besteht darin, Magnetismus über den magnetischen Proximity-Effekt mit den benachbarten magnetischen Materialien einzuführen [18, 25, 26]. Die kürzlich entdeckten magnetischen 2D-vdW-Kristalle weisen intrinsische magnetische Grundzustände auf atomarer Ebene auf, was beispiellose Möglichkeiten auf dem Gebiet der Spintronik bietet [20, 27].

Induzierte magnetische Momente in Graphen

Unverfälschtes Graphen ist stark diamagnetisch, daher untersuchen zahlreiche theoretische und experimentelle Studien den Magnetismus von Graphen. Das Einführen von Leerstellen und das Hinzufügen von Wasserstoff oder Fluor wurden verwendet, um magnetische Momente in Graphen zu induzieren [23, 25, 28]. Kawakamis Gruppe nutzte beispielsweise Wasserstoffadatome, um das Graphen zu dotieren (Abb. 1a) und detektierte reinen Spinstrom durch nicht-lokale Spintransportmessungen, um die magnetische Momentenbildung in Graphen zu demonstrieren [23]. Wie in Fig. 1b gezeigt, zeigt der charakteristische Einbruch, der bei einem Magnetfeld von Null bei der nichtlokalen Spintransportmessung auftritt, dass der reine Spinstrom durch Austauschkopplung zwischen Leitungselektronen und lokalen wasserstoffinduzierten magnetischen Momenten gestreut wird. Darüber hinaus weist Graphen mit Fluoradatomen und Leerstellendefekten paramagnetische Momente auf, die mit einem SQUID (superleitendes Quanteninterferenzgerät) gemessen werden können [28]. Dennoch ist die Realisierung einer weitreichenden ferromagnetischen Ordnung in dotiertem Graphen immer noch eine überwältigende Herausforderung. Einige Forscher haben vorgeschlagen, den magnetischen Proximity-Effekt zu verwenden, um Graphen an Magnetismus zu gewinnen [29]. Wenn Graphen an einen magnetischen Isolator angrenzt, haben die π-Orbitale von Graphen und die benachbarten spinpolarisierten d-Orbitale im magnetischen Isolator eine Austauschwechselwirkung, um eine weitreichende ferromagnetische Kopplung zu erzeugen. Wie in Abb. 1c gezeigt, kann in der Graphen/Yttrium-Eisen-Granat-(YIG)-Heterostruktur das gemessene anomale Hall-Effekt-Signal bis 250 K andauern (Abb. 1d) [25].

Wiedergabe mit Genehmigung von McCreary et al., Phys. Rev. Lett. 109, 186.604 (2012). Copyright 2012 American Chemical Society [23]. (c) und (d) mit freundlicher Genehmigung von Wang et al., Phys. Rev. Lett. 114, 016.603 (2015). Copyright 2015 American Chemical Society [25]

Induziertes magnetisches Moment in Graphen. a Theoretische Vorhersage magnetischer Momente in Graphen aufgrund von Wasserstoff. b Magnetische Momente aufgrund von Wasserstoffdotierung, nachgewiesen durch Spintransportmessungen bei 15 K. Das Gerät wurde nach 8 s Wasserstoffdotierung gemessen. c Schema des Graphenaustauschs gekoppelt an einen atomar flachen ferromagnetischen Yttrium-Eisen-Granat (YIG)-Dünnfilm. d Anomale Hall-Widerstandsmessungen an magnetischem Graphen bei verschiedenen Temperaturen. a , b

Induzierte magnetische Momente in TIs

2D-Materialien sind anfällig für Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit und Sauerstoff. Der leitfähige Oberflächenzustand in TI-Oberflächenbereichen gilt als stabileres 2D-Material [30]. Darüber hinaus weist der Oberflächenzustand von TIs die Spin-Momentum-Locking-Eigenschaft auf, die eine Möglichkeit bietet, das Spinsignal über die Ladestromrichtung zu manipulieren. Interessanter ist, dass das Brechen der Zeitumkehrsymmetrie durch die Dotierung magnetischer Atome oder den magnetischen Proximity-Effekt zu einigen exotischen Phänomenen wie dem quantenanomalen Hall-Effekt (QAHE) führen kann [18, 31]. Changet al. [24] beobachtete erstmals QAHE in Cr-dotiertem magnetischem TI, Cr_0.15 (Bi_0,1 Sb_0,9 )_1.85 Te₃ . Wie in Abb. 2a gezeigt, können wir durch Einstellen des Fermi-Niveaus von magnetisch induzierten TI-Bändern ein Plateau der Hall-Leitfähigkeit von e . beobachten ² /h . Die gemessenen Ergebnisse zeigen, dass der Gate-abstimmbare anomale Hall-Widerstand den quantisierten Wert von h . erreicht /e ² bei Magnetfeld Null (Abb. 2b). Der Spinstreuungseffekt dotierter magnetischer Atome ist jedoch begrenzt, um eine robuste magnetische Fernordnung an der Oberfläche des TI zu erreichen. Die magnetische Nähe zwischen TIs und magnetischen Materialien kann die Einführung von Dotierungsatomen oder -defekten vermeiden und durch Grenzflächenaustauschkopplung eine magnetische Fernordnung gewinnen. Spinpolarisierte Neutronenreflektivität (PNR) wurde verwendet, um den Grenzflächenmagnetismus an der Heterostruktur von Bi₂ . zu untersuchen Se₃ /EuS (Abb. 2c) [32]. Das PNR-Ergebnis zeigt, dass der Bi₂ Se₃ Die /EuS-Doppelschicht weist an der Grenzfläche eine ferromagnetische Ordnung auf, und dieser topologisch verstärkte Grenzflächen-Ferromagnetismus kann bis zu Raumtemperatur bestehen (Abb. 2d). Es wird vorhergesagt, dass die Realisierung eines ferromagnetischen Oberflächenzustands in einem TI das Auftreten mehrerer prominenter Phänomene ermöglicht, wie z. B. der magnetoelektrische Grenzflächeneffekt [33] und der durch ein elektrisches Feld induzierte magnetische Bildmonopol [34].

Wiedergabe mit Genehmigung von Chang et al., Science 340, 167 (2013) ). Copyright 2013 The American Association for the Advancement of Science [24]. c, d Wiedergabe mit Genehmigung von Katmis et al., Nature 553, 513 (2016). Copyright 2016 Nature Publishing Group [32]

Induziertes magnetisches Moment in TIs. a Schema der QAHE in einem magnetischen TI-Dünnfilm. Die Magnetisierungsrichtung (M) wird durch rote Pfeile angezeigt. Das chemische Potential des Films kann durch eine an der Rückseite des dielektrischen Substrats angelegte Gatespannung gesteuert werden. b Magnetfeldabhängigkeit von QAHE bei verschiedenen Gatespannungen in Cr_0,15 (Bi_0,1 Sb_0,9 )_1.85 Te₃ Film. c Schema des Polarized Neutron Reflectivity (PNR)-Experiments für Bi₂ Se₃ /EuS-Doppelschichtfolie. d Beobachtung der ferromagnetischen Ordnung in Bi₂ Se₃ /EuS-Doppelschichtprobe über magnetische Näherungskopplung zum EuS, gemessen durch PNR-Messungen. a , b

Induzierter Magnetismus in anderen 2D-Materialien

Neben Graphen und TIs wurde auch der durch intrinsische Defekte und Dotierstoffe induzierte Magnetismus in anderen 2D-Materialien untersucht, darunter Phosphoren [35], Silicen [36, 37], GaSe [38], GaN [39], ZnO [40] usw. Die Ergebnisse von First-Principles-Rechnungen zeigten, dass ein Wechselspiel zwischen Leerstelle und externer Dehnung Magnetismus in Phosphoren verursachen kann. Wenn eine Dehnung entlang der Zickzack-Richtung von Phosphoren verläuft und P-Leerstellen 4% erreichen, zeigt das System einen spinpolarisierten Zustand mit einem magnetischen Moment von  ~ 1 μ _B pro Stellenangebot [35]. First-Principles-Rechnungen sagten auch voraus, dass Lochdotierung aufgrund der Austauschaufspaltung elektronischer Zustände am oberen Ende des Valenzbandes ferromagnetische Phasenübergänge in GaSe und GaS induzieren kann. Das magnetische Moment kann bis zu 1,0 μ . betragen _B pro Träger [38, 39]. Die meisten dieser Untersuchungen beschränken sich jedoch auf theoretische Berechnungen. Weitere Studien, insbesondere experimentelle Arbeiten, sind erforderlich, um das magnetische Verhalten zu verstehen und robuste ferromagnetische 2D-Halbleiter bei Raumtemperatur für praktische Anwendungen zu untersuchen.

Intrinsische 2D-Magnete

Kürzlich wurde ein weiteres Mitglied der 2D-vdW-Familie, der 2D-Magnet, experimentell erhalten [19, 41]. Dieser Durchbruch zog sofort große Aufmerksamkeit auf sich, um das Gebiet des 2D-Magnetismus zu erforschen. Xus Gruppe berichtete zuerst, dass CrI₃ bis hinunter zur Monoschicht zeigt einen Ising-Ferromagnetismus mit starker magnetischer Anisotropie außerhalb der Ebene durch die magnetooptische Kerr-Effekt (MOKE)-Technik (Abb. 3a) [42]. Außerdem CrI₃ weist eine schichtabhängige magnetische Phase auf, wobei einschichtiges und dreischichtiges CrI₃ sind ferromagnetisch, während die Doppelschicht antiferromagnetisch ist. Gonget al. hat ein weiteres 2D-Material gemeldet, Cr₂ Ge₂ Te₆ , das in Atomschichten eine intrinsische ferromagnetische Fernordnung aufweist [43]. Anders als CrI₃ , Cr₂ Ge₂ Te₆ soll ein 2D-Heisenberg-Ferromagnet mit kleiner magnetischer Anisotropie sein. Wie in Fig. 3b gezeigt, ist die ferromagnetische Übergangstemperatur von Cr₂ Ge₂ Te₆ hängt mit der anzahl der schichten zusammen. Ein weiterer beliebter 2D-Ferromagnet ist Fe₃ . GeTe₂ , das ein ferromagnetisches vdW-Metall ist, das aus geschichteten Fe/FeGe/Fe-Schichten besteht und zwischen zwei Te-Atomschichten eingebettet ist [44]. Der anomale Hall-Effekt wurde verwendet, um den Magnetismus von Fe₃ . zu untersuchen GeTe₂ , und die Ergebnisse zeigen Fe₃ GeTe₂ hat eine starke magnetische Anisotropie mit einer leichten Magnetisierungsrichtung parallel zur c-Achse und einer Curie-Temperatur von 230 K (Abb. 3c) [45]. Die Curie-Temperatur dieser Materialien ist jedoch niedriger als die Raumtemperatur, was ein großes Hindernis für die Anwendung von Geräten darstellt. Eine Curie-Temperatur über Raumtemperatur ist eine Voraussetzung für die praktische Anwendung zweidimensionaler magnetischer Materialien. Forscher haben ferromagnetische Monoschichten 1 T-VSe₂ . bei Raumtemperatur hergestellt durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) [41]. Das kürzlich gemeldete T-CrTe₂ mit mehreren Schichten 1 zeigten eine Curie-Temperatur von bis zu 316 K [46], was die Möglichkeit für die zukünftige Anwendung von 2D-Spintronik-Bauelementen bietet. Neben ferromagnetischen 2D-Materialien wird häufig über 2D-antiferromagnetische Materialien berichtet, wie z. B. FePS₃ [47], MnPS₃ [48] ​​und CrCl₃ [49]. Überraschenderweise berichtete das Team von Zhang Yuanbo kürzlich über magnetfeldinduzierte QAHE in einem intrinsischen magnetischen topologischen Isolator MnBi₂ Te₄ [50]. MnBi₂ Te₄ ist ein Antiferromagnet mit Intralayer-Ferromagnetismus und Interlayer-Antiferromagnetismus. Durch die Untersuchung des Quantentransports, eine genaue Quantisierung des anomalen Hall-Effekts in einem unberührten fünfschichtigen MnBi₂ Te₄ Flocke wurde bei einem mäßigen Magnetfeld von über μ . beobachtet ₀ H ~ 6 T bei niedriger Temperatur (Abb. 3d).

Wiedergabe mit Genehmigung von Huang et al., Nature 546, 271 (2017) ). Copyright 2017 Nature Publishing Group [42]. b Wiedergabe mit Genehmigung von Gong et al., Nature 546, 265 (2017). Copyright 2017 Nature Publishing Group [43]. c Wiedergabe mit Genehmigung von Fei et al., Nat. Mater. 17, 778 (2018). Copyright 2018 Nature Publishing Group [44]. d Wiedergabe mit Genehmigung von Deng et al., Science 367, 895 (2020). Copyright 2020 The American Association for the Advancement of Science [50]

Intrinsische 2D-Magnete. a Polares magneto-optisches Kerr-Effekt (MOKE)-Signal für ein CrI₃ Monoschicht. Der Einschub zeigt ein optisches Bild einer isolierten Monoschicht CrI₃ . b Übergangstemperaturen T_C∗ von Cr₂ Ge₂ Te₆ für unterschiedliche Dicken der Plot mit blauen Quadraten aus Kerr-Messungen und der Plot mit roten Kreisen aus theoretischen Berechnungen. Der Einschub zeigt ein optisches Bild von abgeblättertem Cr₂ Ge₂ Te₆ Atomschichten auf SiO₂ /Si. c Temperaturabhängige Magnetfeld-Sweeps des Hall-Widerstands gemessen an einem 12 nm dicken Fe₃ GeTe₂ Gerät. Der Einschub zeigt eine Rasterkraftmikroskop-Aufnahme einer repräsentativen dünnen FGT-Flake auf SiO₂ . d Magnetfeldinduzierter QAHE in einem fünfschichtigen MnBi₂ Te₄ Probe. Magnetfeldabhängiges R _yx bei verschiedenen Temperaturen. Der Einschub zeigt die Kristallstruktur von MnBi₂ Te₄ und ein optisches Bild von mehrschichtigen Flocken von MnBi₂ Te₄ gespalten von einem Al₂ O₃ -unterstützte Peeling-Methode. a

Grundlegende Funktionalitäten des 2D-Spintronic-Gerätebetriebs

Jüngste Entwicklungen bei aufkommenden 2D-Materialien und einige fortschrittliche Charakterisierungstechniken haben es dem Gebiet der 2D-Spintronik ermöglicht, sich schnell zu entwickeln [51,52,53]. Zu den Schlüsselthemen für die Realisierung spintronischer Bauelemente gehören Spin-Ladungs-Umwandlung, Spin-Transport und Spin-Manipulation. Die effiziente Erzeugung und Detektion von Spinströmen ist die größte Herausforderung bei der Entwicklung von 2D-Spintronik-Bauelementen, die die elektrischen ersetzen. Der Spintransport wünscht einen geeigneten Transportkanal mit langer Spinlebensdauer und Spinausbreitung über große Entfernungen. Spin-Manipulation ist erforderlich, um den Spin-Strom zu kontrollieren und die Gerätefunktionalität zu erreichen.

Spin-Charge-Konvertierung

Es werden viele Methoden vorgeschlagen, um eine Spin-zu-Ladung-Umwandlung zu erreichen, beispielsweise durch elektrische Spininjektion/-detektion oder durch Nutzung des Spin-Hall-Effekts und Edelstein-Effekte, die vom SOC stammen [54, 55, 56]. Der Spin-Hall-Effekt tritt jedoch normalerweise in Schüttgütern auf, während der Edelstein-Effekt normalerweise als Grenzflächeneffekt betrachtet wird [55].

Die „nichtlokalen“ und „lokalen“ Messungen werden üblicherweise verwendet, um eine elektrische Spininjektion/-detektion in ein Kanalmaterial durchzuführen [14]. Für die nichtlokale Messung (Abb. 4a) ist die Elektrode E2 ein ferromagnetisches Metall als Spininjektor und E3 eine ferromagnetische Elektrode als Spindetektor. Ein angelegter Strom fließt von den Elektroden E1 bis E2, und E3 und E4 werden verwendet, um das diffundierte reine Spinstromsignal zu detektieren. Die Polarität der gemessenen Spannung zwischen E3 und E4 hängt von den Magnetisierungskonfigurationen der Elektroden E2 und E3 ab. Diese Methode kann einen reinen Spinstrom ohne Ladestrom gewinnen, während die „lokalen“ Messungen ein gemischtes Signal aus Spinstrom und Ladestrom erhalten (Abb. 4b). Die Spannungsdifferenz zwischen den parallelen und antiparallelen Magnetisierungsausrichtungen der Elektroden E2 und E3 wird als das Signal des Spintransports betrachtet.

Wiedergabe mit Genehmigung von Han et al., Nat. Nanotechn. 9, 794 (2014). Copyright 2018 Nature Publishing Group [14]. c , d Wiedergabe mit Genehmigung von Mendes et al., Phys. Rev. Lett. 115, 226601 (2015). Copyright 2015 American Chemical Society [68]. e , f Wiedergabe mit Genehmigung von Shao et al., Nano Lett. 16, 7514 (2016). Copyright 2016 American Chemical Society [71]

Spin- und Ladungsumwandlung in 2D-Materialien. a Elektrische Spininjektion und Detektion mit nichtlokalen Messgeometrien. b Elektrische Spininjektion und Detektion mit lokalen Messgeometrien. c Spin-to-Ladung-Umwandlung in Graphen auf YIG, einem ferromagnetischen Isolator. Der Spinstrom wird durch Spinpumpen von YIG erzeugt und im Graphen in Ladestrom umgewandelt. d Magnetfeldabhängigkeit der Spinpumpspannung gemessen an YIG/Graphen e SOT-Messungen für den MX₂ /CoFeB-Doppelschicht. Der MX₂ steht für MoS₂ und WSe₂ . f Die Illustration der induzierten Spinakkumulation durch den Rashba-Edelstein-Effekt (REE) an der Grenzfläche von MX₂ /CoFeB unter einem externen elektrischen Feld. a , b

Hillet al. berichteten erstmals über die Injektion von Spin in Graphen unter Verwendung von weichmagnetischen NiFe-Elektroden [57]. Die Spininjektionseffizienz wird jedoch auf relativ gering geschätzt, etwa 10 %, was auf die Fehlanpassung der Leitfähigkeit zwischen ferromagnetischem Metall und Graphen zurückgeführt werden könnte. Dann schlugen einige Forscher vor, eine isolierende Barriere wie Al₂ . zu verwenden O₃ oder MgO als Schicht zum Abstimmen des spinabhängigen Grenzflächenwiderstands und zur Verbesserung der Spininjektionseffizienz [58,59,60], aber das Aufwachsen einer hochwertigen Oxidschicht ist eine große Herausforderung. Einige Verfahren wurden verwendet, um die Oxidschicht-Wachstumstechnik zu verbessern oder zu einer anderen Grenzflächenoxidschicht zu wechseln, wie beispielsweise einer Schicht aus TiO₂ . oder HfO₂ [61, 62]. Der grenzflächenspinabhängige spezifische Widerstand ist jedoch immer noch das grundlegende Problem, was zu einer geringen Spininjektionseffizienz führt. Ein 2D-Isolationsmaterial, hexagonales Bornitrid (h-BN), hat eine Kristallstruktur ähnlich der von Graphen. Theoretische und experimentelle Studien haben gezeigt, dass die Verwendung von h-BN als Tunnelbarriere eine qualitativ hochwertige Grenzfläche erzeugen und die Spininjektionseffizienz von Graphen erheblich verbessern kann. Wenigschichtiges h-BN zeigt eine bessere Spininjektionsleistung als einschichtiges h-BN [63, 64]. Dennoch lassen diese Forschungsergebnisse noch eine große Lücke, die geschlossen werden muss, bevor eine praktische Anwendung möglich ist. Letztendlich erfordert es viel Forschung, um eine perfekte (100 %) Spininjektion zu erreichen, und 2D-Materialien bieten eine vielversprechende Richtung, wie 2D-Heterostrukturen aus 2D-ferromagnetischen Materialien, 2D-Tunnelbarrieren und 2D-Transportkanälen.

Der (inverse) Rashba-Edelstein-Effekt ist ein vom starken SOC ausgehender Grenzflächeneffekt, der zur Spin-Ladungs-Umwandlung genutzt werden kann [65]. Obwohl intrinsisches Graphen einen eher schwachen SOC hat, kann es eine effiziente Spin-Ladungs-Umwandlung erreichen, indem es den starken SOC benachbarter Materialien über den Proximity-Effekt nutzt [66, 67]. Wie in Abb. 4c gezeigt, wird, wenn Graphen an den ferromagnetischen Isolator YIG angrenzt, der Spinstrom in der YIG-Schicht durch Spinpumpen erzeugt und dann durch den inversen Edelstein-Effekt in einen Ladestrom in Graphen umgewandelt [68]. 4d zeigt die Kurven der Spinpumpspannung als Funktion des Feldes in der YIG/Graphen-Vorrichtung. Die Spinpumpspannungen können im Magnetfeld senkrecht zum Graphenkanal nachgewiesen werden. Darüber hinaus gibt es keine Spinpumpspannung, wenn das externe Magnetfeld entlang des Graphenkanals gedreht wird. Darüber hinaus kann ein auf die Graphenoberfläche aufgebrachtes Ionenflüssigkeits-Gating offensichtlich die Eigenschaften von Graphen modulieren, um die Spin-Ladungs-Umwandlungseffizienz von YIG/Graphen zu ändern [56].

Im Gegensatz zu Graphen gelten TMDCs mit starkem SOC als vielversprechende Materialien zur Erzielung einer Spin-Ladungs-Umwandlung [69, 70]. Ein großes Spin-Bahn-Drehmoment (SOT) in einschichtigen TMDC (MoS₂ oder WSe₂ )/CoFeB-Doppelschichtstruktur wurde durch strominduzierte Spinakkumulation durch den Rashba-Edelstein-Effekt erzeugt (Abb. 4e, f) [71]. Das feldähnliche Drehmoment und das dämpfungsähnliche Drehmoment wurden über eine Messung der zweiten Harmonischen bestimmt, und die Ergebnisse zeigen, dass großflächige Monolayer-TMDCs aufgrund ihrer hohen Effizienz für die Magnetisierungsumkehr potenzielle Anwendungen haben. Darüber hinaus wurde die Technik der ferromagnetischen Spin-Torque-Resonanz (ST-FMR) verwendet, um die Spin- und Ladungsumwandlung in TMDCs zu untersuchen. Ein interessantes ST-FMR-Ergebnis zeigt beispielsweise, dass der SOT durch die Kristallsymmetrie von WTe₂ . gesteuert werden kann in WTe₂ / Permalloy-Doppelschichten. Wenn Strom entlang der Achse niedriger Symmetrie von WTe₂ . angelegt wird , kann ein Out-of-plane Anti-Dämpfungs-Drehmoment erzeugt werden [72]. Die Spin-Momentum-Locking-Eigenschaft in TI-Oberflächenzuständen ist nützlich, um eine Spinstrominjektion in benachbarte Materialien über SOT zu erreichen. Aufgrund der starken Korrelation zwischen Spinpolarisationsrichtung und Ladestromrichtung kann die Spinrichtung durch den Ladestrom in den TIs manipuliert werden. Zur Untersuchung der Spin-Ladungs-Umwandlung wurden verschiedene Messtechniken verwendet, darunter die Messung der zweiten Harmonischen, Spinpumpen und ST-FMR. Diese Messergebnisse zeigen, dass es möglich ist, effiziente SOT in 2D-Materialien wie TMDCs und TIs zu erzeugen.

Spin Transport

Der Schlüssel zum Spintransport besteht darin, einen günstigen Spintransportkanal mit einer langen Spindiffusionslänge und Spinrelaxationszeit zu erhalten. Die Spinrelaxation wird durch Impulsstreuung verursacht, sodass Graphen mit schwachem SOC als ideales Material für den Spintransport angesehen wird [14, 73]. Tombroset al. [74] realisierten 2007 durch nichtlokale Messungen in einem lateralen einzelnen Graphen-Spinventil bei Raumtemperatur einen elektronischen Spintransport und eine Spinpräzession. ein dünnes Al₂ O₃ Oxidschicht als Barriere und eine Graphenschicht als Spintransportkanal. Das Messsignal in Fig. 5c zeigt, dass bei parallelen Magnetisierungen der ferromagnetischen Elektroden zur Spininjektion und Spindetektion der von den Kontakten 1 und 2 gemessene nichtlokale Widerstand einen positiven Wert hat. Wenn die ferromagnetischen Elektroden zur Spininjektion und Spindetektion antiparallele Magnetisierungen aufweisen, zeigt der nichtlokale Widerstand einen negativen Wert. Die Hanle-Spinpräzession kann verwendet werden, um die Spindiffusionslänge und die Spinlebensdauer zu bestimmen. Wie in Abb. 5d gezeigt, ist die Spinlebensdauer (τ _sf ) und Spinrelaxationslänge (λ _sf ) sind 125 ps bzw. 1.3 μm in einem lateralen einzelnen Graphen-Spinventil bei Raumtemperatur. Darüber hinaus kann das Gate verwendet werden, um die Spinrelaxationslänge und die Spinlebensdauer zu verbessern [75, 76]. Die Theorie sagte voraus, dass die Spinlebensdauer in reinem Graphen 1 μs erreichen kann, während die berichteten Experimentwerte von Pikosekunden bis zu einigen Nanosekunden reichen.

Wiedergabe mit Genehmigung von Tombros et al., Nature 448, 571 (2007 .) ). Copyright 2007 Nature Publishing Group [74]. e –h Wiedergabe mit Genehmigung von Avser et al., Nat. Phys. 13, 888 (2017). Copyright 2017 Nature Publishing Group [84]

Spintransport in seitlichen Spinventilen. a Nichtlokale Spintransport-Messgeometrien. Ein Strom wird von der Elektrode 3 durch das Al₂ . injiziert O₃ Barriere in Graphen und wird bei Kontakt 4 extrahiert. b Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines vierpoligen Spinventils mit einschichtigem Graphen als Spintransportkanälen und Co als vier ferromagnetischen Elektroden. c Nichtlokales Spinventilsignal bei 4,2 K. Die magnetischen Konfigurationen der Elektroden sind für beide Wobbelrichtungen dargestellt. d Hanle-Spin-Präzession in der nichtlokalen Geometrie, gemessen als Funktion des senkrechten Magnetfelds B _z für parallele Konfigurationen. e Schema eines Spinventils aus schwarzem Phosphor. Der Einschub zeigt das Schema der Heterostruktur. f Optisches Abbild des Geräts. g Nichtlokales Spinventilsignal als Funktion des Magnetfelds in der Ebene. Die relative Magnetisierung der Injektor- und Detektorelektroden wird durch vertikale Pfeile veranschaulicht, und die horizontalen Pfeile repräsentieren die Überstreichungsrichtungen des Magnetfelds. h Hanle-Spin-Präzession in der nichtlokalen Geometrie, gemessen als Funktion des senkrechten Magnetfelds B _z für parallele und antiparallele Konfigurationen. Der Einschub zeigt die Spinpräzession unter dem angelegten Magnetfeld. a –d

Viele verbesserte Verfahren werden verwendet, um die Spindiffusionslänge und die Spinlebensdauer zu erhöhen, und einige Geräte weisen bereits lange Spindiffusionslängen im Mikrometerbereich auf [13, 77, 78]. Beispielsweise weist auf SiC epitaktisch gewachsenes Graphen eine hohe Mobilität auf und weist eine Spintransporteffizienz von bis zu 75 % und eine Spindiffusionslänge von über 100 µm auf [79]. Die h-BN/Graphen/h-BN-Heterostruktur weist eine Langstrecken-Spintransportleistung auf, wobei die Spindiffusionslänge bei Raumtemperatur 30,5 μm erreichen kann [13]. Der Spintransport in 2D-Materialien kann durch Diffusion/Drift beeinflusst werden, die durch Anlegen eines elektrischen Felds moduliert werden kann. Ingla-Aynés et al. [80] berichteten über eine Spinrelaxationslänge von bis zu 90 μm in h-BN-verkapseltem Doppelschicht-Graphen unter Verwendung von Ladungsträgerdrift. Der schwache SOC und die Null-Bandlücke in intrinsischem Graphen schränken jedoch seine Aussichten für halbleitende Spin-Bauelemente ein. Schwarzer Phosphor hat eine beträchtliche direkte Bandlücke und eine Mobilität bei Raumtemperatur von 1000 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , die es zu einem idealen halbleitenden Spintronikmaterial machen [81,82,83]. Avsaret al. [84] konstruierten ein laterales Spinventil basierend auf einem ultradünnen schwarzen Phosphorblatt und maßen dessen Spintransporteigenschaften bei Raumtemperatur über die nichtlokale Geometrie (Abb. 5e, f). Der elektronische Spintransport in Abb. 5g zeigt, dass sich der nichtlokale Widerstand um ΔR . ändert, wenn die Magnetisierungsrichtungen der Ferromagnete wechseln 15Ω. Darüber hinaus zeigt die Hanle-Spinpräzession Spinrelaxationszeiten bis 4 ns und Spinrelaxationslängen über 6 µm (Abb. 5h). Der Spintransport in schwarzem Phosphor hängt eng mit der Ladungsträgerkonzentration zusammen, sodass das Spinsignal durch Anlegen eines elektrischen Felds gesteuert werden kann.

Spin-Manipulation

Das Erkennen der Manipulation des Spins ist der Schlüssel zu einer effektiven Funktionalisierung der Vorrichtung. Durch Anlegen einer Gatespannung kann die Ladungsträgerkonzentration im Material gesteuert werden, wodurch die Spinsignale manipuliert werden können [85, 86]. Verschiedene 2D-Materialien als Spintransportkanäle wurden untersucht, um die Einstellung der Spintransportparameter durch Anlegen einer Gatespannung zu realisieren. Bias-induziertes Graphen kann beispielsweise eine Spininjektions- und Detektionspolarisation von bis zu 100 % in einer Ferromagnet/Doppelschicht-h-BN/Graphen/h-BN-Heterostruktur erreichen [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 Funktion von 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]. f , g Reproduced with permission from Fan et al., Nat. Nanotechnol. 11, 352 (2016). Copyright 2016 Nature Publishing Group [96]

Spin manipulation. a 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 und 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 Funktion von 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 _y during the measurement. The inset shows an enlarged version of the circled part in the figure. f 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. a 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. Ich _s und ich _aus denote the injection and detection currents, respectively. The magnetizations of the electrodes are input logic 1 and 0. The detected current I _aus serves as the logic output. e Ich _aus 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. a , 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].

Conclusion

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.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Nicht zutreffend.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

GMR:

Giant magnetoresistance effect

STT-MRAM:

Spin-transfer-torque magnetoresistive random-access memory

vdW:

Van der Waals

SOC:

Spin–orbit coupling

TMDCs:

Übergangsmetalldichalkogenide

TIs:

Topological insulators

SQUID:

Supraleitendes Quanteninterferenzgerät

YIG:

Yttrium iron garnet

QAHE:

Quantum anomalous Hall effect

PNR:

Spin-polarized neutron reflectivity

MOKE:

Magneto-optical Kerr effect

MBE:

Molekularstrahlepitaxie

h-BN:

Hexagonales Bornitrid

SOT:

Spin–orbit torque

ST-FMR:

Spin-torque ferromagnetic resonance

MTJ:

Magnetic tunnel junction

sFET:

Spin field-effect transistor

TMR:

Tunneling magnetoresistance

Lebenslauf:

Chemische Gasphasenabscheidung

2DEG:

Zweidimensionales Elektronengas

sTFET:

Spin tunnel field-effect transistor

XOR:

Exclusive or

CMOS:

Complementary metal-oxide semiconductor