Новости

7 декабря, 2020 11:44

Российские ученые предложили новые материалы для спиновой электроники

Ученые рассчитали эффективность возникновения спиновой поляризации на графене при его контакте с модифицированными слоями дисульфида или диселенида молибдена (MoS2/MoSe2). В таких гибридных материалах спиновая поляризация электронов составила от 15 до 60% в зависимости от типа примесных атомов в дихалькогенидах молибдена. Исследование, поддержанное грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), поможет расширить класс перспективных материалов для спиновой электроники. Результаты работы опубликованы в журнале Nanoscale.
Источник: Getty Images/tcareob72
Спиновая поляризация на графене увеличивается при увеличении радиуса атома примесной добавки (атома галогена) в дисульфиде и диселениде молибдена. Источник: Дмитрий Квашнин
3 / 4
Источник: Getty Images/tcareob72
Спиновая поляризация на графене увеличивается при увеличении радиуса атома примесной добавки (атома галогена) в дисульфиде и диселениде молибдена. Источник: Дмитрий Квашнин

«Предложенные нами структуры могут представлять интерес для применения в спинтронных приборах, например, в качестве элемента спинового фильтра. Устройства, работающие на принципе управления собственным моментом импульса электрона, то есть спином, будут обладать большей эффективностью передачи информации и меньшим энергопотреблением», — рассказывает Дмитрий Квашнин, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля (ИБХФ) РАН.

Спинтроника, или спиновая электроника, — активно развивающаяся область науки двух последних десятилетий. В отличие от обычной электроники в спинтронике переключение между состояниями возможно при помощи генерации и детектирования спинового тока электронов. Генерация спинового тока тем эффективнее, чем выше значение спиновой поляризации материала на уровне Ферми. Поляризация 100% означает, что все проводящие электроны в веществе имеют спины одного направления, тогда как 0% означает, что электронов со спином «вверх» столько же, сколько и со спином «вниз». Спиновый ток очень трудно сохранить: нужно, чтобы электрон прошел наибольший путь и не изменил свой спин. Таким свойством обладают не все материалы. Например, графен, представляющий собой лист графита толщиной в один атом углерода, не имеет спиновой поляризации. Тем не менее графен обладает уникальным свойством — максимальной подвижностью носителей заряда среди всех известных веществ.

В своей работе ученые из ИБХФ РАН хотели уложили графен на дополнительный слой, обладающий спиновой поляризацией, и получить таким образом спиновую поляризацию на графене. Они столкнулись с проблемой выбора подходящего материала: большинство образует сильную связь с графеном, что приводит к изменению его структуры и уменьшению электронной проводимости. Тем не менее, им удалось избежать образования сильной связи. В качестве материала для дополнительного слоя ученые использовали так называемые ван-дер-ваальсовы гетероструктуры, в которых связь с листом графена возможна только благодаря слабым ван-дер-ваальсовым силам. Такими материалами являются, например, сульфиды и селениды переходных металлов.

Сульфиды и селениды металлов не обладают спиновой поляризацией сами по себе, как и графен. Однако известно, что так называемые дефекты замещения в дисульфиде или диселениде молибдена (MoS2/MoSe2) приводят к возникновению в запрещенной зоне (области энергий, которыми не может обладать электрон в бездефектном кристалле) внедренных уровней, содержащих только один электрон с фиксированным спином. Это значит, что материал приобретает спиновую поляризацию. Ученые предложили материал-подложку для графена на основе дисульфидов и диселенидов молибдена с примесными атомами галогенов (I, Br, Cl, F).

«Такие материалы объединяют уникальные свойства слабо связанных гетероструктур из графена и дихалькогенидов переходных металлов (MoS2/MoSe2), а различные примеси галогенов позволяют настраивать физико-химические свойства материала, такие как спиновая поляризация на графене», — рассказывает младший научный сотрудник ИБХФ РАН Екатерина Суханова.

Исследователи провели компьютерное моделирование спиновых свойств каждого гибридного материала: графена с MoS2, а также графена с MoSe2, с каждой из четырех примесных добавок — атомов иода (I), брома (Br), хлора (Cl) или фтора (F). Оказалось, у материала графен/MoSe2 максимальная спиновая поляризация составляет 60% в случае примесей атомов йода, тогда как минимальная поляризация равна 15%, если примесный атом — фтор. У материала графен/MoS2 спиновая поляризация на графене ниже и равна 20% для иода и 0% для фтора.

«Мы показали прямую зависимость между спиновой поляризацией и способностью примесных галогенов делиться своим электроном с окружающими атомами. Например, йод охотнее отдает свой электрон окружению, чем фтор. В этой же работе мы получили зависимость спиновой поляризации от параметра, указывающего на долю электронов, переданных от слоя MoS2 или MoSe2 на слой графена. Для материалов с MoS2 получились более низкие значения спиновой поляризации. Это можно объяснить тем, что сера охотнее принимает электроны от галогенов, и поэтому доля электронов, которые можно передать графену, меньше», — заключил соавтор работы Захар Попов, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля.

18 июля, 2024
Чувствительный к летучим соединениям молока «электронный нос» с 83% точностью оценил количество бактерий в продукте
Ученые создали датчик, который, подобно человеческому носу, улавливает летучие соединения, содержа...
18 июля, 2024
Кристаллографы СПбГУ расшифровали структуру минерала, открытого более 70 лет назад
Международная группа ученых под руководством кристаллографа Санкт-Петербургского государственного ун...