Pionierfortschritte in der zweidimensionalen Spintronik: Aktuelle Forschung und zukünftige Horizonte

Zusammenfassung

Spintronik ist die vielversprechendste Technologie zur Entwicklung alternativer multifunktionaler, hochgeschwindiger, energiesparender elektronischer Bauelemente. Aufgrund ihrer ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften bieten neuartige zweidimensionale (2D) Materialien eine neue Plattform für die Erforschung neuartiger spintronischer Bauelemente. In jüngster Zeit hat die 2D-Spintronik sowohl in theoretischer als auch experimenteller Forschung große Fortschritte gemacht. Hier wird der Fortschritt der 2D-Spintronik Übersicht gegeben. Abschließend werden die aktuellen Herausforderungen und zukünftigen Chancen in diesem Bereich aufgezeigt.

Einleitung

Mit der Entdeckung und Anwendung des Riesenmagnetowiderstandseffekts (GMR) hat sich die Spintronik schnell zu einem attraktiven Forschungsfeld entwickelt, das den Spin-Freiheitsgrad von Elektronen als Informations-Träger nutzt, um Datenspeicherung und logische Operationen zu realisieren. Im Vergleich zu herkömmlichen mikroelektronischen Bauelementen, die auf Ladung basieren, benötigen spintronische Bauelemente weniger Energie zum Umschalten eines Spin-Zustands, was zu höherer Betriebsgeschwindigkeit und geringerem Energieverbrauch führen kann. Daher ist Spintronik die vielversprechendste Technologie für alternative multifunktionale, hochgeschwindige, energiesparende elektronische Bauelemente. Obwohl Spin-Transfer-Torque-Magnetowiderstands-Speicher (STT-MRAM) bereits kommerziell produziert werden, müssen noch verschiedene technische Probleme gelöst werden. Hauptfragen sind die effiziente Erzeugung und Injektion spinpolarisierter Ladungsträger, der langreichweitige Transport von Spin sowie die Manipulation und Detektion der Spin-Richtung.

Parallel zum Aufschwung der Spintronik stehen zweidimensionale (2D) Van-der-Waals-Materialien (vdW) seit der Isolierung von Graphen an der Spitze der Materialforschung. Im Gegensatz zu ihren Volumenmaterialien weisen 2D vdW-Materialien viele neuartige physikalische Phänomene auf. Einige 2D-Materialien haben bereits großes Potenzial für die Entwicklung nächster Generation 2D-spintronischer Bauelemente gezeigt. Beispielsweise weist Graphen hohe Elektronen/Loch-Mobilität, lange Spin-Lebensdauern und lange Diffusionslängen auf, was es zu einem vielversprechenden Kandidaten für einen Spin-Kanal macht. Aufgrund seiner Nullbandlücke und schwachen Spin-Orbit-Kopplung (SOC) hat Graphen jedoch Einschränkungen beim Bau graphenbasierter Stromschalter. Im Gegensatz dazu besitzen 2D-Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs) variable Bandlücken, starke SOC-Effekte und insbesondere eine einzigartige Spin-Tal-Kopplung, die eine Plattform zur Manipulation von Spin- und Tal-Freiheitsgraden für nichtflüchtige Informationsspeicherung bietet. Topologische Isolatoren (TIs) mit topologisch geschützten Oberflächenzuständen haben starke Spin-Orbit-Wechselwirkungen, um Spin-Impuls-Verriegelung zu erreichen, was Streuung unterdrückt und die Spin-Ladungs-Umwandlungseffizienz erhöht. Neuartige 2D-Magnete mit intrinsischen magnetischen Grundzuständen bis auf atomare Schichtdicken eröffnen neue Wege für neuartige 2D-spintronische Anwendungen.

Mit der Entwicklung der 2D-Spintronik ist es notwendig, die neuesten experimentellen und theoretischen Arbeiten in diesem Bereich zu überblicken. In diesem Artikel wird der Fortschritt der 2D-Spintronik dargestellt, und einige aktuelle Herausforderungen und zukünftige Chancen in diesem aufstrebenden Feld werden diskutiert. Der erste Abschnitt behandelt Magnetismus in 2D-Materialien, einschließlich induzierter magnetischer Momente in Graphen, TIs und anderen 2D-Materialien durch Dotierung oder Proximitätseffekt, sowie intrinsische 2D-Magnete. Der zweite Abschnitt stellt die drei elementaren Funktionalitäten für den Betrieb 2D-spintronischer Bauelemente vor: Spin-Ladungs-Umwandlung, Spin-Transport und Spin-Manipulation in 2D-Materialien und an ihren Grenzflächen. Der dritte Abschnitt gibt einen Überblick über Anwendungen der 2D-Spintronik. Der vierte Abschnitt führt mehrere potenzielle 2D-spintronische Bauelemente für Speicher und Logikanwendungen ein. Der letzte Abschnitt diskutiert einige aktuelle Herausforderungen und zukünftige Chancen in der 2D-Spintronik für die praktische Anwendung.

Magnetismus in 2D-Materialien

Magnetismus hat große Bedeutung für Datenspeichertechnologien. Die meisten 2D-Materialien wie Graphen sind jedoch nicht intrinsisch magnetisch. Zwei Methoden wurden vorgeschlagen, um nichtmagnetische Materialien magnetisch zu machen. Die erste Methode erzeugt Spinpolarisation durch Einführung von Leerstellen oder Adatomen. Die andere führt Magnetismus über den magnetischen Proximitätseffekt mit angrenzenden magnetischen Materialien ein. Die kürzlich entdeckten 2D-magnetischen vdW-Kristalle haben intrinsische magnetische Grundzustände auf atomarer Skala und bieten beispiellose Möglichkeiten im Bereich der Spintronik.

Induzierte magnetische Momente in Graphen

Reines Graphen ist stark diamagnetisch, daher untersuchen zahlreiche theoretische und experimentelle Studien den Magnetismus von Graphen. Die Einführung von Leerstellen und die Zugabe von Wasserstoff oder Fluor wurden genutzt, um magnetische Momente in Graphen zu induzieren. Beispielsweise nutzte Kawakamis Gruppe Wasserstoff-Adatome zur Dotierung von Graphen (Abb. 1a) und detektierte reinen Spin-Strom durch nichtlokale Spin-Transportmessungen, um die Bildung magnetischer Momente in Graphen nachzuweisen. Wie in Abb. 1b gezeigt, zeigt der charakteristische Dip bei null Magnetfeld in der nichtlokalen Spin-Transportmessung, dass der reine Spin-Strom durch Austauschkopplung zwischen Leitungs-Elektronen und lokalen wasserstoffinduzierten magnetischen Momenten gestreut wird. Darüber hinaus weist Graphen mit Fluor-Adatomen und Leerstellen-Defekten paramagnetische Momente auf, die mit einem SQUID (supraleitender Quanteninterferenz-Detektor) gemessen werden können. Dennoch bleibt die Realisierung langreichweitiger ferromagnetischer Ordnung in dotiertem Graphen eine große Herausforderung. Einige Forscher schlugen vor, den magnetischen Proximitätseffekt zu nutzen, um Graphen Magnetismus zu verleihen. Wenn Graphen an einen magnetischen Isolator angrenzt, haben die π-Orbitale des Graphens und die benachbarten spinpolarisierten d-Orbitale im magnetischen Isolator eine Austauschwechselwirkung, die langreichweitige ferromagnetische Kopplung erzeugt. Wie in Abb. 1c gezeigt, kann im Graphen/Yttrium-Eisen-Granat (YIG) Heterostruktur der gemessene anomale Hall-Effekt bis 250 K anhalten (Abb. 1d).

Induzierte magnetische Momente in TIs

2D-Materialien sind anfällig für Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit und Sauerstoff. Der leitende Oberflächenzustand in TI-Oberflächenbereichen wird als stabileres 2D-Material betrachtet. Zusätzlich weist der Oberflächenzustand von TIs die Spin-Impuls-Verriegelungseigenschaft auf, die einen Weg bietet, das Spin-Signal über die Ladungsstromrichtung zu manipulieren. Noch interessanter ist, dass das Brechen der Zeitumkehr-Symmetrie durch Dotierung magnetischer Atome oder den magnetischen Proximitätseffekt zu exotischen Phänomenen wie dem Quanten-Anomalen-Hall-Effekt (QAHE) führen kann. Chang et al. beobachteten erstmals QAHE in Cr-dotiertem magnetischem TI, Cr₀.₁₅(Bi₀.₁Sb₀.₉)₁.₈₅Te₃. Wie in Abb. 2a demonstriert, kann durch Abstimmung des Fermi-Niveaus der magnetisch induzierten TI-Bänder ein Plateau der Hall-Leitfähigkeit von e²/h beobachtet werden. Die Messergebnisse zeigen, dass der gatter-tunbare anomale Hall-Widerstand bei null Magnetfeld den quantisierten Wert h/e² erreicht (Abb. 2b). Allerdings ist der Spin-Streu-Effekt dotierter magnetischer Atome begrenzt, um eine robuste langreichweitige magnetische Ordnung an der TI-Oberfläche zu erreichen. Die magnetische Proximität zwischen TIs und magnetischen Materialien kann die Einführung von Dotieratomen oder Defekten vermeiden und durch interfacialen Austauschkopplung langreichweitige magnetische Ordnung erlangen. Spin-polarisierte Neutronenreflektometrie (PNR) wurde genutzt, um den Grenzflächenmagnetismus an der Heterostruktur Bi₂Se₃/EuS zu untersuchen (Abb. 2c). Das PNR-Ergebnis zeigt, dass die Bi₂Se₃/EuS-Doppelschicht eine ferromagnetische Ordnung an der Grenzfläche aufweist, und diese topologisch verstärkte interfaziale Ferromagnetismus kann bis Raumtemperatur anhalten (Abb. 2d). Die Realisierung eines ferromagnetischen Oberflächenzustands in einem TI soll mehrere prominente Phänomene ermöglichen, wie den interfacialen magnetoelektrischen Effekt und das elektrisch feldinduzierte Bild-Magnetmonopol.

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, einschließlich Phosphoren, Silicen, GaSe, GaN, ZnO usw. Erstprinzip-Berechnungen zeigten, dass ein Zusammenspiel zwischen Leerstellen und externer Dehnung Magnetismus in Phosphoren hervorrufen kann. Wenn eine Dehnung in Zickzack-Richtung von Phosphoren und P-Leerstellen 4 % erreichen, zeigt das System einen spinpolarisierten Zustand mit einem magnetischen Moment von ~1 μB pro Leerstellenplatz. Erstprinzip-Berechnungen sagten auch voraus, dass Loch-Dotierung einen ferromagnetischen Phasenübergang in GaSe und GaS induzieren kann, aufgrund von Austauschaufspaltung elektronischer Zustände am oberen Rand des Valenzbands. Das magnetische Moment kann bis zu 1,0 μB pro Ladungsträger betragen. 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 2D-Raumtemperatur-ferromagnetische Halbleiter für praktische Anwendungen zu erforschen.

Intrinsische 2D-Magnete

Kürzlich wurde ein weiteres Mitglied der 2D-vdW-Familie, der 2D-Magnet, experimentell erhalten. Dieser Durchbruch zog sofort umfangreiche Aufmerksamkeit auf sich, um das Feld des 2D-Magnetismus zu erforschen. Xus Gruppe berichtete erstmals, dass CrI₃ bis zum Monolayer einen Ising-Ferromagnetismus mit starker Out-of-Plane-Magnetanisotropie mittels magneto-optischem Kerr-Effekt (MOKE) aufweist (Abb. 3a). Zudem zeigt CrI₃ einen schichtabhängigen magnetischen Phasenübergang, wobei Monolayer und Trilayer CrI₃ ferromagnetisch sind, während der Bilayer antiferromagnetisch ist. Gong et al. berichteten über ein weiteres 2D-Material, Cr₂Ge₂Te₆, das intrinsische langreichweitige ferromagnetische Ordnung in atomaren Schichten besitzt. Im Gegensatz zu CrI₃ wird Cr₂Ge₂Te₆ als 2D-Heisenberg-Ferromagnet mit kleiner Magnetananisotropie berichtet. Wie in Abb. 3b gezeigt, hängt die ferromagnetische Übergangstemperatur von Cr₂Ge₂Te₆ von der Schichtanzahl ab. Ein weiterer beliebter 2D-Ferromagnet ist Fe₃GeTe₂, ein vdW-ferromagnetisches Metall, bestehend aus geschichteten Fe/FeGe/Fe, eingebettet zwischen zwei Te-Atomlagen. Der anomale Hall-Effekt wurde genutzt, um den Magnetismus von Fe₃GeTe₂ zu untersuchen, und die Ergebnisse zeigen, dass Fe₃GeTe₂ starke Magnetananisotropie mit einer leichten Magnetisierungsrichtung parallel zur c-Achse und einer Curie-Temperatur von 230 K aufweist (Abb. 3c). Allerdings liegt die Curie-Temperatur dieser Materialien unter Raumtemperatur, was ein großes Hindernis für Geräteanwendungen darstellt. Eine Curie-Temperatur über Raumtemperatur ist eine Voraussetzung für die praktische Anwendung zweidimensionaler magnetischer Materialien. Forscher haben raumtemperatur-ferromagnetische Monolayer 1T-VSe₂ durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt. Das kürzlich berichtete few-layer 1T-CrTe₂ wies eine Curie-Temperatur von bis zu 316 K auf, was die Möglichkeit für die Anwendung von 2D-spintronischen Bauelementen in der Zukunft eröffnet. Neben 2D-ferromagnetischen Materialien werden auch 2D-antiferromagnetische Materialien breit berichtet, wie FePS₃, MnPS₃ und CrCl₃. Noch überraschender berichtete das Team von Zhang Yuanbo kürzlich über magnetfeldinduzierten QAHE in einem intrinsischen magnetischen topologischen Isolator MnBi₂Te₄. MnBi₂Te₄ ist ein Antiferromagnet mit intralayer Ferromagnetismus und interlayer Antiferromagnetismus. Durch Quantentransport-Sondierung wurde eine exakte Quantisierung des anomalen Hall-Effekts in einem makellosen fünf-lagigen MnBi₂Te₄-Flocken bei einem moderaten Magnetfeld von über μ₀H ~ 6 T bei tiefer Temperatur beobachtet (Abb. 3d).

Elementare Funktionalitäten 2D-spintronischer Bauelemente

Jüngste Entwicklungen in neuartigen 2D-Materialien und einige fortschrittliche Charakterisierungstechniken haben das Feld der 2D-Spintronik rasant vorangebracht. Die Schlüsselfragen für die Realisierung spintronischer Bauelemente umfassen Spin-Ladungs-Umwandlung, Spin-Transport und Spin-Manipulation. Die effiziente Erzeugung und Detektion von Spin-Strom ist die Hauptforderung bei der Entwicklung 2D-spintronischer Bauelemente, die elektrische ersetzen. Spin-Transport erfordert einen geeigneten Transportkanal mit langer Spin-Lebensdauer und langdistanziger Spin-Ausbreitung. Spin-Manipulation ist erforderlich, um den Spin-Strom zu kontrollieren und Bauelementefunktionalität zu erreichen.

Spin-Ladungs-Umwandlung

Viele Methoden wurden vorgeschlagen, um Spin-zu-Ladungs-Umwandlung zu erreichen, beispielsweise durch elektrische Spin-Injektion/Detektion oder durch Nutzung des Spin-Hall-Effekts und Edelstein-Effekts, die aus der SOC stammen. Der Spin-Hall-Effekt tritt jedoch meist in Volumenmaterialien auf, während der Edelstein-Effekt meist als Grenzflächeneffekt betrachtet wird.

„Nichtlokale“ und „lokale“ Messungen werden häufig für elektrische Spin-Injektion/Detektion in ein Kanalmaterial genutzt. Bei der nichtlokalen Messung (Abb. 4a) ist Elektrode E2 ein ferromagnetisches Metall als Spin-Injektor, und E3 eine ferromagnetische Elektrode als Spin-Detektor. Ein angelegter Strom fließt von Elektroden E1 zu E2, und E3 und E4 detektieren den diffusen reinen Spin-Strom. Die Polarität der gemessenen Spannung zwischen E3 und E4 hängt von den Magnetisierungskonfigurationen der Elektroden E2 und E3 ab. Diese Methode kann einen reinen Spin-Strom ohne Ladungsstrom erzeugen, während „lokale“ Messungen ein gemischtes Signal von Spin- und Ladungsstrom liefern (Abb. 4b). Die Spannungsdifferenz zwischen paralleler und antiparalleler Magnetisierungsausrichtung der Elektroden E2 und E3 wird als Signal des Spin-Transports betrachtet.

Hill et al. berichteten erstmals die Injektion von Spin in Graphen durch weichmagnetische NiFe-Elektroden. Die Spin-Injektionseffizienz wird jedoch auf relativ niedrige ~10 % geschätzt, was auf die Leitfähigkeits-Diskrepanz zwischen ferromagnetischem Metall und Graphen zurückgeführt werden könnte. Dann schlugen einige Forscher vor, eine isolierende Barriere wie Al₂O₃ oder MgO als Schicht zu nutzen, um den interfacialen spinabhängigen Widerstand abzustimmen und die Spin-Injektionseffizienz zu erhöhen. Das Wachsen einer hochwertigen Oxidschicht ist jedoch eine große Herausforderung. Einige Methoden wurden verwendet, um die Oxidschicht-Wachstumstechnik zu verbessern oder auf ein anderes interfaciales Oxid wie TiO₂ oder HfO₂ zu wechseln. Dennoch bleibt der interfacial spinabhängige Widerstand das fundamentale Problem, das zu niedriger Spin-Injektionseffizienz 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 hochwertige Grenzfläche erzeugen und die Spin-Injektionseffizienz von Graphen erheblich verbessern kann. Few-layer h-BN zeigt bessere Spin-Injektionsleistung als Monolayer h-BN. Dennoch lassen diese Forschungsergebnisse noch eine große Lücke vor praktischer Anwendung. Letztlich erfordert die Erreichung perfekter (100 %) Spin-Injektion noch viel Forschung, 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 Grenzflächeneffekt, der aus starker SOC stammt und zur Spin-Ladungs-Umwandlung genutzt werden kann. Obwohl intrinsisches Graphen eine eher schwache SOC aufweist, kann es durch Nutzung der starken SOC angrenzender Materialien über Proximitätseffekt effiziente Spin-Ladungs-Umwandlung erreichen. Wie in Abb. 4c gezeigt, wenn Graphen an den ferromagnetischen Isolator YIG angrenzt, wird der Spin-Strom in der YIG-Schicht durch Spin-Pumpen erzeugt und dann durch den inversen Edelstein-Effekt in eine Ladungsstrom in Graphen umgewandelt. Abb. 4d zeigt die Spin-Pumpen-Spannungskurven als Funktion des Feldes im YIG/Graphen-Bauelement. Die Spin-Pumpen-Spannungen können im senkrecht zum Graphenkanal stehenden Magnetfeld detektiert werden. Zudem gibt es bei Drehen des externen Magnetfeldes entlang des Graphenkanals keine Spin-Pumpen-Spannung. Darüber hinaus kann ein ionisch-flüssiges Gate auf der Graphenoberfläche die Eigenschaften von Graphen offensichtlich modulieren und die Spin-zu-Ladungs-Umwandlungseffizienz von YIG/Graphen ändern.

Im Gegensatz zu Graphen werden TMDCs mit starker SOC als vielversprechende Materialien für Spin-Ladungs-Umwandlung betrachtet. Ein großer Spin-Orbit-Drehmoment (SOT) in Monolayer-TMDC (MoS₂ oder WSe₂)/CoFeB-Doppelschichtstruktur wurde durch strominduzierte Spin-Akkumulation verursacht durch den Rashba-Edelstein-Effekt erzeugt (Abb. 4e, f). Das feldartige Drehmoment und das dämpfungsartige Drehmoment wurden über eine Zweitoberwellenmessung bestimmt, und die Ergebnisse zeigen, dass großflächige Monolayer-TMDCs aufgrund ihrer hohen Effizienz für Magnetisierungs-Umkehr potenzielle Anwendungen haben. Zusätzlich wurde die Technik der Spin-Drehmoment-Ferromagnetischen-Resonanz (ST-FMR) verwendet, um Spin-Ladungs-Umwandlung in TMDCs zu untersuchen. Ein interessantes ST-FMR-Ergebnis zeigt, dass SOT durch die Kristallsymmetrie von WTe₂ in WTe₂/Permalloy-Doppelschichten kontrolliert werden kann. Wenn Strom entlang der niedrig-symmetrischen Achse von WTe₂ angelegt wird, kann ein out-of-plane anti-dämpfendes Drehmoment erzeugt werden. Die Spin-Impuls-Verriegelungseigenschaft in TI-Oberflächenzuständen ist nützlich, um Spin-Strom-Injektion in angrenzende Materialien über SOT zu erreichen. Aufgrund der starken Korrelation zwischen Spin-Polarisationsrichtung und Ladungsstromrichtung kann die Spin-Richtung durch den Ladungsstrom in TIs manipuliert werden. Verschiedene Messtechniken wurden verwendet, um Spin-Ladungs-Umwandlung zu untersuchen, einschließlich Zweitoberwellenmessung, Spin-Pumpen und ST-FMR. Diese Messergebnisse demonstrieren, dass es möglich ist, effizienten SOT in 2D-Materialien wie TMDCs und TIs zu erzeugen.

Spin-Transport

Der Schlüssel zum Spin-Transport ist ein günstiger Spin-Transportkanal mit langer Spin-Diffusionslänge und Spin-Relaxationszeit. Spin-Relaxation wird durch Impulsstreuung verursacht, daher wird Graphen mit schwacher SOC als ideales Material für Spin-Transport betrachtet. Tombros et al. realisierten 2007 elektronischen Spin-Transport und Spin-Präzession in einem lateralen Einzel-Graphen-Spin-Ventil bei Raumtemperatur durch nichtlokale Messung. Wie in Abb. 5a, b gezeigt, besteht das nichtlokale Spin-Ventil aus vier-terminalen ferromagnetischen Cobalt-Elektroden, einer dünnen Al₂O₃-Oxidschicht als Barriere und einem Graphenblatt als Spin-Transportkanal. Das Messsignal in Abb. 5c zeigt, dass wenn die ferromagnetischen Elektroden für Spin-Injektion und Spin-Detektion parallele Magnetisierungen haben, der nichtlokale Widerstand, gemessen an Kontakten 1 und 2, einen positiven Wert hat. Haben sie antiparallele Magnetisierungen, zeigt der nichtlokale Widerstand einen negativen Wert. Die Hanle-Spin-Präzession kann verwendet werden, um Spin-Diffusionslänge und Spin-Lebensdauer zu bestimmen. Wie in Abb. 5d gezeigt, betragen die Spin-Lebensdauer (τ_sf) und Spin-Relaxationslänge (λ_sf) 125 ps bzw. 1,3 µm in einem lateralen Einzel-Graphen-Spin-Ventil bei Raumtemperatur. Weiterhin kann das Gate verwendet werden, um die Spin-Relaxationslänge und Spin-Lebensdauer zu erhöhen. Die Theorie sagt voraus, dass die Spin-Lebensdauer in reinem Graphen 1 µs erreichen kann, während experimentelle Werte von Pikosekunden bis zu wenigen Nanosekunden reichen.

Viele verbesserte Methoden werden verwendet, um Spin-Diffusionslänge und Spin-Lebensdauer zu erhöhen, und einige Bauelemente zeigen bereits lange Spin-Diffusionslängen im Mikrometerbereich. Beispielsweise weist auf SiC epitaktisch gewachsenes Graphen hohe Mobilität auf, mit Spin-Transporteffizienz bis 75 % und Spin-Diffusionslänge über 100 µm. Die h-BN/Graphen/h-BN-Heterostruktur zeigt langdistanzige Spin-Transportleistung, wobei die Spin-Diffusionslänge bei Raumtemperatur 30,5 µm erreichen kann. Spin-Transport in 2D-Materialien kann durch Diffusion/Drift beeinflusst werden, was durch Anlegen eines elektrischen Feldes moduliert werden kann. Ingla-Aynés et al. berichteten eine Spin-Relaxationslänge bis 90 µm in h-BN-inkapseltem Bilayer-Graphen durch Nutzung von Träger-Drift. Allerdings beschränken die schwache SOC und die Nullbandlücke in intrinsischem Graphen seine Aussichten für halbleitende Spin-Bauelemente. Schwarzer Phosphor besitzt eine beträchtliche direkte Bandlücke und Raumtemperatur-Mobilität von 1000 cm² V⁻¹ s⁻¹, was ihn zu einem idealen halbleitenden spintronischen Material macht. Avsar et al. konstruierten ein laterales Spin-Ventil basierend auf einem ultradünnen Schwarzen-Phosphor-Blatt und maßen seine Spin-Transporteigenschaften bei Raumtemperatur über die nichtlokale Geometrie (Abb. 5e, f). Der elektronische Spin-Transport in Abb. 5g zeigt, dass beim Umschalten der Magnetisierungsrichtungen der Ferromagnete der nichtlokale Widerstand eine Änderung von ΔR ≈ 15 Ω aufweist. Zusätzlich zeigt die Hanle-Spin-Präzession Spin-Relaxationszeiten bis 4 ns und Spin-Relaxationslängen über 6 µm (Abb. 5h). Der Spin-Transport in Schwarzem Phosphor steht in enger Beziehung zur Ladungsträgerkonzentration, sodass das Spin-Signal durch Anlegen eines elektrischen Feldes kontrolliert werden kann.

Spin-Manipulation

Die Realisierung der Spin-Manipulation ist der Schlüssel zur effektiven Bauelementefunktionalisierung. Das Anlegen einer Gate-Spannung kann die Trägerkonzentration im Material kontrollieren, was zur Manipulation der Spin-Signale genutzt werden kann. Verschiedene 2D-Materialien als Spin-Transportkanäle wurden untersucht, um die Einstellung von Spin-Transportparametern über Gate-Spannung zu realisieren. Beispielsweise kann bias-induziertes Graphen in Ferromagnet/Bilayer-h-BN/Graphen/h-BN-Heterostruktur eine Spin-Injektions- und Detektionspolarisation bis 100 % erreichen. Ein gatter-tunbares Spin-Ventil basierend auf Schwarzem Phosphor kann Spin-Relaxationszeit im Nanosekundenbereich und lange Spin-Relaxationslänge erreichen. Für einen halbleitenden MoS₂-Kanal kann das Anlegen einer Gate-Spannung immer noch eine relativ lange Spin-Diffusionslänge, größer als 200 nm, erzielen. Ein geeignetes Spin-Feldeffekt-Bauelement erfordert jedoch ein klares Schaltverhältnis, was für Graphen und sogar für halbleitende 2D-Materialien eine Herausforderung darstellt.

Um dieses Problem zu lösen, wurde eine vdW-Heterostruktur aus atomar dünnem Graphen und halbleitendem MoS₂ entwickelt, um einen Spin-Feldeffekt-Schalter über Gate-Spannung zu erreichen (Abb. 6a). In dieser Struktur werden die überlegenen Spin-Transporteigenschaften von Graphen und die starke SOC von MoS₂ kombiniert. Die angelegte Gate-Spannung kann die Leitfähigkeit von MoS₂ und Spin-Absorption während des Spin-Transports ändern, was zum Umschalten des Spin-Stroms zwischen AN- und AUS-Zuständen im Graphenkanal führt (Abb. 6b). Eine andere Forschungsarbeit erzielte einen ähnlichen Bericht über die Graphen/MoS₂-vdW-Heterostruktur. In diesem Bericht wurde eine elektrische Gate-Kontrolle des Spin-Stroms und der Spin-Lebensdauer in der Graphen/MoS₂-Heterostruktur bei Raumtemperatur erreicht. Zudem wies dieser Bericht darauf hin, dass der Mechanismus der Gate-tunbaren Spin-Parameter auf Gate-Abstimmung der Schottky-Barriere an der MoS₂/Graphen-Grenzfläche und MoS₂-Kanalleitfähigkeit beruht.

Strominduzierter SOT wird als eine weitere effiziente Strategie zur Spin-Manipulation betrachtet. Der Spin-Strom, erzeugt durch den Spin-Hall-Effekt in Schwermetallen oder den Rashba-Effekt an Grenzflächen, kann ein Spin-Drehmoment auf Ferromagnete ausüben und dadurch Magnetisierungs-Umschaltung realisieren. Effiziente strominduzierte Magnetisierungs-Umschaltung über SOT kann zu innovativen spintronischen Anwendungen führen. Aufgrund starker SOC und Zeitumkehr-Symmetrie-Brechung werden magnetisch dotierte TIs als vielversprechende Materialien zur Manipulation von Spin-Signalen über SOT betrachtet. Wangs Gruppe demonstrierte erstmals experimentell eine durch in-plane Strom induzierte Magnetisierungs-Umschaltung in einem epitaktischen Cr-dotierten TI (Bi₀.₅Sb₀.₅)₂Te₃/(Cr₀.₀₈Bi₀.₅₄Sb₀.₃₈)₂Te₃ Bilayer-Film (Abb. 6c). Der Spin-Hall-Winkel im Cr-dotierten TI-Film, der von 140 bis 425 reicht, ist fast drei Größenordnungen größer als in Schwermetall/ferromagnetischen Heterostrukturen, und die kritische Schaltstromdichte liegt unter 8,9 × 10⁴ A cm⁻² bei 1,9 K (Abb. 6d). Darüber hinaus berichtete dieses Team auch über eine effektive elektrische Feldkontrolle von SOT in einem Cr-dotierten (Bi₀.₅Sb₀.₄₂)₂Te₃ Dünnfilm, epitaktisch auf GaAs-Substrat gewachsen (Abb. 6e). Der Gate-Effekt auf die Magnetisierungs-Umschaltung wurde durch Scannen der Gate-Spannung unter konstantem Strom und angelegtem in-plane Magnetfeld im Film untersucht (Abb. 6f). Die SOT-Intensität hängt stark vom spinpolarisierten Oberflächenstrom im Dünnfilm ab und kann innerhalb eines geeigneten Gate-Spannungsbereichs moduliert werden. Die effektive elektrische Feldkontrolle von SOT in TI-basierten magnetischen Strukturen hat potenzielle Anwendungen in magnetischen Speicher- und Logikbauelementen.

Zusätzlich wurde die elektrische Kontrolle neuartiger 2D-Magnete untersucht. Beispielsweise kann die Nutzung von elektrischen Feldern oder elektrostatischer Dotierung die magnetische Umwandlung von Bilayer CrI₃ von antiferromagnetisch zu ferromagnetisch erreichen. Die Koerzitivfeldstärke und Sättigungsfeld von few-layer Cr₂Ge₂Te₆ können über ionisch-flüssiges Gating moduliert werden. Im Gegensatz zu magnetischen Halbleitern kann elektrostatische Dotierung verwendet werden, um die Trägerkonzentrationen des ferromagnetischen Metalls zu kontrollieren, und die ferromagnetische Übergangstemperatur von Fe₃GeTe₂ kann durch ein ionisches Gate dramatisch auf Raumtemperatur erhöht werden. Das Aufkommen und die Erforschung von 2D-Magneten bieten eine neue Plattform für die Entwicklung nächster Generation 2D-spintronischer Bauelemente.

Anwendungen der 2D-Spintronik

2D-Materialien zeigen großes Potenzial für die Entwicklung nächster Generation 2D-spintronischer Bauelemente. Graphen mit hoher Elektronen/Loch-Mobilität, langen Spin-Lebensdauern und langen Diffusionslängen ist ein vielversprechender Kandidat für einen Spin-Kanal. Zudem kann Graphen durch Einführung von Adatomen oder magnetischen Proximitätseffekt Magnetismus erlangen. Die Trägerdichte in proximitätsinduziert ferromagnetischem Graphen kann durch Gating moduliert werden, was die Beobachtung der Fermi-Energie-Abhängigkeit der anomalen Hall-Leitfähigkeit ermöglicht. Dieses Ergebnis kann helfen, den physikalischen Ursprung des anomalen Hall-Effekts in 2D-Dirac-Fermion-Systemen zu verstehen. Die Realisierung eines ferromagnetischen Oberflächenzustands in einem TI soll mehrere prominente Phänomene ermöglichen, wie den interfacialen magnetoelektrischen Effekt und das elektrisch feldinduzierte Bild-Magnetmonopol. Die aktuelle Technologie zur Induktion von Magnetismus in TIs ist jedoch auf tiefe Temperaturen beschränkt, was ihr Potenzial für Anwendungen einschränkt. Eine Schlüsselanforderung für nützliche Anwendungen ist die Erzeugung von Raumtemperatur-Ferromagnetismus im TI. Das PNR-Ergebnis zeigt, dass die Bi₂Se₃/EuS-Doppelschicht eine ferromagnetische Ordnung an der Grenzfläche aufweist, und diese topologisch verstärkte interfaziale Ferromagnetismus kann bis Raumtemperatur anhalten. Die topologische magnetoelektrische Antwort in einem solchen konstruierten TI könnte effiziente Manipulation der Magnetisierungsdynamik durch ein elektrisches Feld ermöglichen, was einen energieeffizienten topologischen Kontrollmechanismus für zukünftige spinbasierte Technologien bereitstellt.

Der STT- und Tunnel-Magnetowiderstands-Effekt (TMR) bieten alternative Ansätze für Schreib- und Leseoperationen. Der STT-Effekt bezieht sich auf die Neuorientierung der Magnetisierung ferromagnetischer Materialien durch Transfer von Spin-Drehimpulsen. Effiziente strominduzierte Magnetisierungs-Umschaltung über SOT kann zu innovativen spintronischen Anwendungen führen. Aufgrund starker SOC und Zeitumkehr-Symmetrie-Brechung werden magnetisch dotierte TIs als vielversprechende Materialien zur Manipulation von Spin-Signalen über SOT betrachtet. TMR bezieht sich auf magnetisierungsabhängiges Magnetowiderstandsverhalten. Ein hohes TMR-Verhältnis ist der Schlüssel für spintronische Bauelemente mit höherer Empfindlichkeit und geringerem Energieverbrauch. 2D-Materialien mit hochwertigem Kristall und scharfen Grenzflächen können neue Funktionalitäten wie Spin-Filterung erreichen. Der 2D-vdW-MTJ besteht aus einer 2D-magnetischen CrI₃-Schicht als Spin-Filter-Tunnelbarriere, der einen TMR-Wert von bis zu 19.000 % erreicht. Fortschritte in der Fertigung von Graphen-basierten und anderen 2D-Heterostrukturen haben zur Optimierung von langdistanziger Spin-Diffusion (bis zu zehn Mikrometern) sowie zur gerichteten Führung des Spin-Stroms geführt. Spin-Manipulation, elektrisches Gating, elektrisch feldinduzierte Drift, SOT-induzierte Umschaltung und magnetischer Proximitätseffekt wurden erforscht, um nächste Generation MRAM zu entwickeln.

2D-spintronische Bauelemente für Speicher und Logikanwendungen

Große Anstrengungen wurden unternommen, um neue 2D-spintronische Bauelemente zu finden. Nach Funktion können 2D-spintronische Bauelemente als Speicher- oder Logikbauelemente klassifiziert werden. Hier konzentrieren wir uns auf mehrere wichtige 2D-spintronische Bauelemente, einschließlich 2D-Magnetischer-Tunnelübergang (MTJ), 2D-Spin-Feldeffekt-Transistor (sFET) und 2D-Spin-Logik-Gatter.

2D MTJ

Die Entdeckung des GMR öffnete die Tür für 2D-Spintronik. Allerdings hat TMR ein stärkeres Magnetowiderstandsverhältnis als GMR, daher birgt TMR größeres Potenzial in magnetischen Speicheranwendungen. Die TMR-Struktur besteht aus zwei ferromagnetischen Schichten und einer dazwischenliegenden isolierenden Schicht, dem MTJ. Die Tunnelwahrscheinlichkeit hängt von der Zustandsdichte nahe der Fermi-Energie in den ferromagnetischen Schichten ab. Wenn die beiden magnetischen Schichten parallel sind, kann die ähnliche Zustandsdichte für jeden Spin-Zustand mehr verfügbare Zustände für Tunnelung bereitstellen, was zu einem Niedrigwiderstandszustand führt. Sind die Schichten antiparallel, resultiert eine Diskrepanz zwischen Spin-Kanälen von Quelle und Senke in einem Hochwiderstandszustand. Einige Probleme in traditionellen Dünnfilm-MTJs begrenzen die Erreichung eines hohen TMR-Verhältnisses, wie die Qualität der Isolationsbarriere und thermische Stabilität. 2D-Materialien mit hochwertigem Kristall und scharfen Grenzflächen bieten vielversprechende Wege, diese Probleme zu lösen und sogar neue Funktionalitäten wie Spin-Filterung zu erreichen.

Karpan et al. erforschten 2007 erstmals rechnerisch Graphen-Schichten als Barriere in vertikalen MTJs. Sie schlugen eine Übereinstimmung zwischen der Bandstruktur von Graphen und der von Nickel vor und sagten eine große Spin-Polarisation nahe 100 % voraus, was zu einem großen TMR bis 500 % führen kann. Spätere experimentelle Ergebnisse zeigen jedoch, dass MTJs auf Graphenbasis ein sehr niedriges TMR aufweisen. Im Vergleich zu Monolayer- oder Bilayer-Graphen hält das few-layer MTJ das höchste aufgezeichnete TMR-Signal von bis zu 31 % in Graphen-basierten MTJs. Neben Graphen wurden auch andere 2D-Materialien als Tunnelbarrierenschichten erforscht, einschließlich isolierendem h-BN und halbleitenden TMDCs. Piquemal-Banci et al. fertigten Fe/h-BN/Co-Übergänge an, wobei das h-BN-Monolayer direkt auf Fe durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) gewachsen wurde, und beobachteten große Spin-Signale von TMR und Spin-Polarisation von P ~ 17 %. MTJs auf Basis von MoS₂ oder WSe₂ wiesen nur wenige Prozent TMR-Signal auf; weitere Erforschung ist nötig, um ein hohes TMR-Verhältnis zu erreichen.

Neuartige 2D-magnetische Materialien zeigen viele überraschende Eigenschaften. Wenn die Magnetisierungen in Bilayer CrI₃ in verschiedene magnetische Konfigurationen umgeschaltet werden (Abb. 7a), zeigt der auf CrI₃ basierende MTJ ein riesiges TMR, erzeugt durch den Spin-Filter-Effekt. Wie in Abb. 7b demonstriert, besteht der 2D-vdW-MTJ aus einer 2D-magnetischen CrI₃-Schicht als Spin-Filter-Tunnelbarriere, Graphen als Kontakt-Elektrode und h-BN als Einkapselungsschicht zur Verhinderung von Bauelementdegradation. Das Transportergebnis zeigt, dass das TMR mit zunehmender CrI₃-Schichtdicke zunimmt und in einem vier-lagigen CrI₃-basierten MTJ bei tiefer Temperatur einen Wert von 19.000 % erreicht (Abb. 7c). Anschließend berichtete Xus Gruppe auch über gatter-tunbares TMR in einer dual-gated MTJ-Struktur basierend auf vier-lagigem CrI₃. Das TMR kann durch Variation der Gate-Spannungen in einem festen Magnetfeld von 17.000 auf 57.000 % moduliert werden. Zudem kann mit few-layer Fe₃GeTe₂ als ferromagnetischen Elektroden das TMR in Fe₃GeTe₂/h-BN/Fe₃GeTe₂-Heterostrukturen 160 % bei tiefer Temperatur erreichen. Interessanterweise berichtete Zhou et al. eine theoretische Untersuchung einer VSe₂/MoS₂/VSe₂-Heterostruktur, wobei das VSe₂-Monolayer als raumtemperatur-Ferromagnet fungiert und das große TMR 846 % bei 300 K erreichen kann. Andererseits birgt die starke Spin-Hall-Leitfähigkeit von MoS₂ das Potenzial, die Magnetisierung der VSe₂-Freischicht durch SOT umzuschalten. Daher schlugen sie das Konzept eines SOT-vdW-MTJ mit schnelleren Lese- und Schreiboperationen vor, was neue Möglichkeiten für 2D-spintronische Bauelemente bietet.

2D sFET

Datta und Das schlugen 1990 erstmals die Idee des sFET vor. Der sFET besteht aus Source- und Drain-ferromagnetischen Elektroden und einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) Kanal, der durch ein elektrisches Gate kontrolliert werden kann. Die Gate-Spannung kann eine Spin-Präzession bewirken und folglich eine Änderung der Spin-Polarisation des Stroms im Kanal. Da das Umschalten des Stroms durch das Bauelement nur wenig Energie und kurze Zeit erfordert, wird der sFET als 2D-spintronisches Bauelement mit geringem Stromverbrauch und hoher Rechengeschwindigkeit erwartet.

Wie im vorherigen Abschnitt erwähnt, wird Graphen mit hoher Trägerkonzentration und schwacher SOC als vielversprechender Kandidat für einen Spin-Transportkanal betrachtet. Michetti et al. entwarfen eine Double-Gate-Feldeffekt-Transistor-Struktur, wobei Bilayer-Graphen als Transportkanal fungiert. Die theoretische Analyse zeigt, dass die Spin-Präzession der Träger im Graphenkanal durch Anlegen einer differentiellen Gate-Spannung ein- und ausgeschaltet werden kann. Experimentell berichteten Avsar et al. erstmals eine dual-gated Bilayer-Graphen-Struktur mit h-BN als Dielektrikum, wobei die Spin-Strom-Ausbreitung im Bilayer-Graphenkanal durch Anlegen eines vertikalen elektrischen Feldes kontrolliert werden kann. Die Transportergebnisse zeigen, dass die Spin-Relaxationszeit monoton mit zunehmender Trägerkonzentration abnimmt, und das Spin-Signal einen rapiden Abfall aufweist, schließlich nahe dem Ladungsneutralitätspunkt nicht mehr detektierbar wird. Ein geeignetes Spin-Feldeffekt-Bauelement erfordert ein klares Schaltverhältnis, was für Graphen eine Herausforderung darstellt.

Um dieses Problem zu lösen, wurde eine Graphen/MoS₂-Heterostruktur entwickelt, um einen Spin-Feldeffekt-Schalter über Gate-Spannung zu erreichen. Zwei unabhängige Gruppen demonstrierten, dass die angelegte Gate-Spannung die Leitfähigkeit von MoS₂ ändern und zu Spin-Absorption während des Spin-Transports führen kann, was zum Umschalten des Spin-Stroms zwischen AN- und AUS-Zuständen im Graphenkanal führt. Aufgrund der niedrigen Spin-Injektionseffizienz und raschen Spin-Relaxation in Kanälen ist es eine Herausforderung, ein großes High-to-Low-Leitfähigkeitsverhältnis in 2D-sFET-Bauelementen zu erreichen. Die Entdeckung von 2D-magnetischen Kristallen bietet jedoch neue Möglichkeiten zur Erforschung neuer 2D-spintronischer Bauelemente. Kin Fai Moks Gruppe berichtete über einen Spin-Tunnel-Feldeffekt-Transistor (sTFET) basierend auf einer dual-gated Graphen/CrI₃/Graphen-Heterostruktur. Durch Verwendung von Bilayer CrI₃ als magnetische Tunnelbarriere kann die angelegte Gate-Spannung die Magnetisierungskonfigurationen von Bilayer CrI₃ von interlayer-antiferromagnetisch zu ferromagnetischen Zuständen unter einem konstanten Magnetfeld nahe dem Spin-Flip-Übergang umschalten. Im Gegensatz zu konventionellen Spin-Transistoren basieren diese Bauelemente auf elektrischer Kontrolle der Magnetisierungskonfigurations-Umschaltung statt des Spin-Strom-Signals im Kanal. Diese Technik ermöglicht sTFET-Bauelementen, ein großes High-Low-Leitfähigkeitsverhältnis von annähernd 400 % zu erreichen, was einen neuen Ansatz für die Erforschung von Speicheranwendungen bietet.

2D Spin-Logik-Gatter

Dery und Sham berichteten erstmals über ein Spin-Logik-Bauelement basierend auf einem „Exclusive-Or“ (XOR) Gatter. Die XOR-Logik-Gatter-Struktur umfasst einen Halbleiterkanal und drei ferromagnetische Terminals. Ein XOR-Logik-Operation kann durch unterschiedliche Spin-Akkumulationen implementiert werden, verursacht durch unterschiedliche Magnetisierungskonfigurationen der Eingangsterminals. Experimentell erreichte das vorgeschlagene Drei-Terminal-XOR-Logik-Gatter logische Operationen in einem Graphen-spintronischen Bauelement bei Raumtemperatur. Wie in Abb. 7c gezeigt, umfasst das Bauelement Einzelschicht-Graphen als Kanal und drei ferromagnetische Terminals bestehend aus A, B und M Co-Elektroden mit MgO-Tunnelbarrieren. Die Magnetisierung der Elektroden A und B stellt die Eingangszustände 0 oder 1 dar, und der Strom der Elektrode M fungiert als Ausgangszustand. Die Magnetisierungen der Eingangselektroden A und B werden durch Variation eines angelegten externen Magnetfeldes umgeschaltet, was zu unterschiedlicher Spin-Akkumulation in der M-Elektrode führt, entsprechend unterschiedlichem Ausgangsstrom. Wenn die Eingangs-Elektroden A und B identische Beiträge zum Ausgang M-Elektrode haben, dann hat der Strom im Ausgangs-ferromagnetischen Terminal nur einen detektierbaren Wert, wenn die Magnetisierungen der Eingangs-ferromagnetischen Terminals antiparallel sind (01 oder 10). Sind die Magnetisierungen der Eingangs-ferromagnetischen Terminals parallel (00 oder 11), ist der Ausgangsstrom fast null. Daher kann die XOR-Logik-Operation erreicht werden (Abb. 7d).

Dery et al. entwarfen weiterhin ein rekonfigurierbares Magneto-Logik-Gatter mit Fünf-Terminal-Struktur, das zwei XOR-Gatter XOR(A, X) und XOR(B, Y) mit einem gemeinsamen Ausgangsterminal M kombiniert. Ähnlich zum Drei-Terminal-XOR-Logik-Gatter führen unterschiedliche magnetische Konfigurationen der Eingangs-Elektroden zu unterschiedlicher Spin-Akkumulation im Ausgangsterminal M, was zu unterschiedlichen Ausgangssignalen führt. Analog kann eine endliche Anzahl dieser XOR-Gatter verwendet werden, um jede binäre Logikfunktion zu implementieren. Anschließend erweiterten andere Gruppen dieses theoretische Design zu experimentellen Studien durch Konstruktion von Graphen-Spin-Logik-Gattern. Verschiedene Modellierungen, Simulationen und experimentelle Erkundungen von 2D-Spin-Logik-Gattern haben den Fortschritt zum Bau praktischer Spin-Logik-Anwendungen beschleunigt. Allerdings bleiben zwei Schlüsselprobleme in der Forschung an Graphen-Spin-Logik-Gattern bestehen. Das erste ist das Ausbalancieren der Beiträge zweier Eingangsterminals zum Ausgang. Das zweite ist die Eliminierung des Einflusses von Hintergrundsignalen auf den Ausgang.

Herausforderungen und Chancen in der 2D-Spintronik

Wie oben diskutiert, wurden viele theoretische und experimentelle Forschungen durchgeführt, um Spintronik basierend auf 2D-Materialien zu erforschen, und beträchtliche Fortschritte wurden erzielt. Dennoch müssen große Herausforderungen für die praktische Anwendung von 2D-Speicher- und Logikanwendungen bewältigt werden. Wir diskutieren nun drei davon: physikalische Mechanismen, Materialwissenschaft und Bauelement-Engineering.

Physikalische Mechanismen

Aufgrund der Komplexität der Experimente weisen vorgeschlagene theoretische Forschung und experimentelle Ergebnisse meist große Diskrepanzen auf. Beispielsweise sagte die Theorie basierend auf dem Spin-Relaxations-Mechanismus voraus, dass die Spin-Lebensdauer für reines Graphen bis 1 µs betragen würde, während experimentelle Werte von zehn Pikosekunden bis wenigen Nanosekunden reichen. Zudem reicht die experimentell gemessene Spin-Injektionseffizienz von Graphen von wenigen Prozent bis 10 %, was weit unter der theoretischen Vorhersage von 60–80 % liegt. Diese Unterschiede deuten darauf hin, dass tiefere physikalische Mechanismen und präzisere theoretische Modelle vorgeschlagen und entwickelt werden müssen, um die Forschungsrichtung besser zu leiten und experimentelle Ergebnisse zu analysieren.

Materialwissenschaft

2D-Materialien bieten eine ideale Plattform zum Konstruieren verschiedener Heterostrukturen für spintronische Anwendungen. Dennoch gibt es noch viele große Probleme bei 2D-Materialien. Beispielsweise ist Stabilität eine große Herausforderung für 2D-Materialien. Die meisten 2D-Materialien mit Dicken nahe der atomaren Ebene sind anfällig für Feuchtigkeit, Oxidation und Temperatur, insbesondere die kürzlich neuartigen 2D-magnetischen Materialien, die in einer Handschuhbox mit ultra-niedrigem Wasser- und Sauerstoffgehalt exfoliiert werden müssen. Außerdem basieren die meisten derzeit verfügbaren 2D-Magnete auf mechanischer Exfoliation, und ihre niedrigen magnetischen Übergangstemperaturen liegen weit unter Raumtemperatur. Dies sind erhebliche Einschränkungen, da Luftstabilität, bequeme Wafer-Skalen-Synthese und Betrieb über Raumtemperatur Voraussetzungen für 2D-Materialien in praktischen Anwendungen sind.

Bauelement-Engineering

Durchbrüche wurden in der Grundlagenforschung der 2D-Spintronik erzielt, wie erhöhte Spin-Injektionseffizienz durch 2D-Tunnelbarrieren h-BN, lange Spin-Diffusionslänge bis 30 µm bei Raumtemperatur in Graphen-basierten 2D-Heterostrukturen und hohes TMR bis 19.000 % durch Verwendung von 2D-Magneten als Spin-Filter-Barrieren. Basierend auf der Erforschung 2D-spintronischer Bauelemente ist es vielversprechend, Low-Power-Bauelementanwendungen zu entwickeln, einschließlich fortgeschrittener magnetischer Speicher und Spin-Logik-Schaltungen, die mit bestehender CMOS-Elektronik kompatibel sind. Allerdings befinden sich Design und Anwendung funktionaler 2D-spintronischer Bauelemente noch in frühem theoretischen Vorhersage- und Proof-of-Concept-Stadium.

Chancen

2D-Spintronik ist ein wichtiges wissenschaftliches Forschungsfeld mit vielen potenziellen Anwendungen für zukünftige Technologien. Wie oben erwähnt, bleiben erhebliche Herausforderungen bestehen, aber es gibt auch viele Chancen. Spin-Ventile basierend auf Graphen als Spin-Transportkanal können lange Spin-Diffusionslängen bis 30 µm bei Raumtemperatur aufweisen. Magnetische Tunnelübergänge mit vier-lagigem CrI₃ als Spin-Filter-Tunnelbarrieren zeigen riesiges TMR bis 19.000 % bei tiefer Temperatur. Die magnetische Übergangstemperatur von Fe₃GeTe₂ kann über Raumtemperatur durch ionisch-flüssiges Gate oder durch Anpassung an einen TI erhöht werden. Spin-polarisierter Strom kann von WTe₂ in magnetische Substrate durch SOT-Umschaltung injiziert werden. Neue Konzepte von Spin-Tunnel-Feldeffekt-Transistoren basierend auf 2D-Magneten CrI₃ wurden vorgeschlagen. Die Demonstration von riesigem TMR, die effiziente Spannungskontrolle von 2D-Magnetismus und die Magnetisierungs-Umschaltung in 2D-Magneten durch STT oder SOT eröffnen alle Chancen für potenzielle nächste Generation spintronischer Bauelemente basierend auf atomar dünnen vdW-Kristallen.

Fazit

Die Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von 2D-Materialien ist von großer Bedeutung für die Entwicklung der 2D-Spintronik. Die magnetische Wechselwirkung in Graphen und TIs wurde kaum erforscht, und kürzlich entdeckte 2D-Magnete bieten ebenfalls eine ideale Plattform zur Untersuchung von 2D-Magnetismus. In den letzten Jahrzehnten wurden große Fortschritte in der 2D-Spintronik erzielt, besonders in der Graphen-Spintronik. Allerdings bleibt der Ursprung der Spin-Relaxation in Graphen eine wichtige offene Frage, und weitere Verbesserung der Spin-Lebensdauer und Spin-Diffusionslänge bleibt eine wichtige Forschungsrichtung für Graphen-basierte spintronische Bauelemente. Die praktische Anwendung 2D-spintronischer Bauelemente erfordert noch die Bewältigung großer Herausforderungen, einschließlich physikalischer Mechanismen, Materialwissenschaft und Bauelement-Engineering. Die Entwicklung von Technologie, die Verbesserung theoretischer Modelle und die Erforschung neuer Materialien bieten alle mehr Chancen für Anwendungen neuer Generation 2D-spintronischer Bauelemente in der Zukunft.