Progrès récents en spintronique bidimensionnelle

Introduction

Avec la découverte et l'application de l'effet de magnétorésistance géante (GMR), la spintronique s'est rapidement développée en un domaine attrayant, visant à utiliser le degré de liberté de spin des électrons comme support d'informations pour réaliser le stockage de données et les opérations logiques [1,2,3 ]. Par rapport aux dispositifs microélectroniques conventionnels basés sur la charge, les dispositifs spintroniques nécessitent moins d'énergie pour changer d'état de rotation, ce qui peut entraîner une vitesse de fonctionnement plus rapide et une consommation d'énergie plus faible. Par conséquent, la spintronique est la technologie la plus prometteuse pour développer des dispositifs électroniques alternatifs multifonctionnels, à grande vitesse et à faible consommation d'énergie. Bien que la mémoire à accès aléatoire magnétorésistive à couple de transfert de spin (STT-MRAM) ait été commercialement produite, divers problèmes techniques doivent encore être résolus. Les principaux défis incluent la génération et l'injection efficaces de porteurs à spin polarisé, la transmission à longue distance du spin, ainsi que la manipulation et la détection de la direction du spin [4,5, 6].

Parallèlement à l'essor de la spintronique, les matériaux bidimensionnels (2D) de van der Waals (vdW) sont à la frontière de la recherche sur les matériaux depuis l'isolement du graphène [7,8,9]. Distincts de leurs matériaux en vrac, les matériaux vdW 2D présentent de nombreux phénomènes physiques nouveaux. Certains matériaux 2D ont déjà montré un grand potentiel pour l'ingénierie de dispositifs spintroniques 2D de prochaine génération [10,11,12]. Par exemple, le graphène présente une mobilité électron/trou élevée, de longues durées de vie de spin et de longues longueurs de diffusion, ce qui en fait un candidat prometteur pour un canal de spin [13,14,15]. Cependant, en raison de ses caractéristiques d'espacement nul et de faible couplage spin-orbite (SOC), le graphène a des limites dans la construction de commutateurs de courant à base de graphène. En revanche, les dichalcogénures de métaux de transition 2D (TMDC) ont des bandes interdites variées, un fort effet SOC et, en particulier, un couplage unique de spin-valley, fournissant une plate-forme pour manipuler les degrés de liberté de spin et de vallée pour le stockage d'informations non volatiles [16, 17]. Les isolants topologiques (IT) avec des états de surface topologiquement protégés ont de fortes interactions spin-orbite pour obtenir un verrouillage spin-impulsion, ce qui peut supprimer la diffusion et améliorer l'efficacité de conversion de spin et de charge [4, 12, 18]. Les aimants 2D émergents avec des états fondamentaux magnétiques intrinsèques jusqu'à des épaisseurs de couche atomique ouvrent de nouvelles voies pour de nouvelles applications spintroniques 2D [19,20,21].

Avec le développement de la spintronique 2D, il est nécessaire de faire le point sur les derniers travaux expérimentaux et théoriques dans le domaine. Dans cet article, les progrès de la spintronique 2D ont été passés en revue, et certains défis actuels et opportunités futures ont également été discutés dans ce domaine émergent. La première section passe en revue le magnétisme dans les matériaux 2D, y compris les moments magnétiques induits dans le graphène, les TI et certains autres matériaux 2D via les méthodes de dopage ou d'effet de proximité, et certains aimants 2D intrinsèques. La deuxième section présente les trois fonctionnalités élémentaires pour réaliser des opérations de dispositifs spintroniques 2D, y compris la conversion de charge de spin, le transport de spin et la manipulation de spin dans les matériaux 2D et à leurs interfaces. La troisième section présente les applications de la spintronique 2D. La quatrième section présente plusieurs dispositifs spintroniques 2D potentiels pour le stockage en mémoire et les applications logiques. La dernière section traite de certains défis actuels et opportunités futures en spintronique 2D pour réaliser des applications pratiques.

Magnétisme dans les matériaux 2D

Le magnétisme a des significations importantes dans les technologies de stockage de données. Cependant, la plupart des matériaux 2D comme le graphène ne sont pas intrinsèquement magnétiques. Deux méthodes ont été proposées pour rendre magnétiques les matériaux non magnétiques. La première méthode consiste à générer une polarisation de spin en introduisant des lacunes ou en ajoutant des adatomes [22,23,24]. L'autre est d'introduire du magnétisme via l'effet de proximité magnétique avec les matériaux magnétiques adjacents [18, 25, 26]. Les cristaux vdW magnétiques 2D récemment découverts ont des états fondamentaux magnétiques intrinsèques à l'échelle atomique, offrant des opportunités sans précédent dans le domaine de la spintronique [20, 27].

Moments magnétiques induits dans le graphène

Le graphène vierge est fortement diamagnétique, c'est pourquoi un grand nombre d'études théoriques et expérimentales explorent le magnétisme du graphène. L'introduction de lacunes et l'ajout d'hydrogène ou de fluor ont été utilisés pour induire des moments magnétiques dans le graphène [23, 25, 28]. Par exemple, le groupe de Kawakami a utilisé des adatomes d'hydrogène pour doper le graphène (Fig. 1a) et a détecté un courant de spin pur par mesure de transport de spin non local pour démontrer la formation de moment magnétique dans le graphène [23]. Comme le montre la figure 1b, le creux caractéristique apparaissant à champ magnétique nul dans la mesure du transport de spin non local montre que le courant de spin pur est diffusé par couplage d'échange entre les électrons de conduction et les moments magnétiques locaux induits par l'hydrogène. De plus, le graphène avec des adatomes de fluor et des défauts de lacunes a des moments paramagnétiques, qui peuvent être mesurés par un SQUID (dispositif d'interférence quantique supraconducteur) [28]. Néanmoins, la réalisation de l'ordre ferromagnétique à longue distance dans le graphène dopé reste un défi de taille. Certains chercheurs ont proposé d'utiliser l'effet de proximité magnétique pour faire gagner en magnétisme le graphène [29]. Lorsque le graphène est adjacent à un isolant magnétique, les orbitales π du graphène et les orbitales d voisines polarisées en spin dans l'isolant magnétique ont une interaction d'échange pour générer un couplage ferromagnétique à longue distance. Comme le montre la figure 1c, dans l'hétérostructure graphène/grenat de fer yttrium (YIG), le signal d'effet Hall anormal mesuré peut persister jusqu'à 250 K (Fig. 1d) [25].

Reproduit avec la permission de McCreary et al., Phys. Rév. Lett. 109, 186 604 (2012). Copyright 2012 Société chimique américaine [23]. (c) et (d) reproduits avec la permission de Wang et al., Phys. Rév. Lett. 114, 016 603 (2015). Copyright 2015 Société chimique américaine [25]

Moment magnétique induit dans le graphène. un Prédiction théorique des moments magnétiques dans le graphène dus à l'hydrogène. b Moments magnétiques dus au dopage à l'hydrogène détectés par des mesures de transport de spin à 15 K. Le dispositif a été mesuré après un dopage à l'hydrogène de 8 s. c Schéma d'échange de graphène couplé à un film mince ferromagnétique de grenat de fer et d'yttrium atomiquement plat (YIG). d Mesures anormales de résistance de Hall sur du graphène magnétique à différentes températures. un , b

Moments magnétiques induits dans les TI

Les matériaux 2D sont sensibles aux conditions environnementales, telles que l'humidité et l'oxygène. L'état de surface conducteur dans les régions de surface TI est considéré comme un matériau 2D plus stable [30]. De plus, l'état de surface des TI présente la propriété de verrouillage de l'impulsion de spin, qui permet de manipuler le signal de spin via la direction du courant de charge. Plus intéressant encore, la rupture de la symétrie d'inversion du temps par le dopage d'atomes magnétiques ou l'effet de proximité magnétique peut donner lieu à des phénomènes exotiques tels que l'effet Hall anormal quantique (QAHE) [18, 31]. Chang et al. [24] a observé pour la première fois le QAHE dans le TI magnétique dopé au Cr, Cr_0,15 (Bi_0.1 Sb_0.9 )_1.85 Te₃ . Comme le montre la figure 2a, en réglant le niveau de Fermi des bandes TI induites magnétiquement, nous pouvons observer un plateau de conductance Hall de e ² /h . Les résultats mesurés montrent que la résistance Hall anormale réglable par porte atteint la valeur quantifiée de h /e ² à champ magnétique nul (Fig. 2b). Cependant, l'effet de diffusion de spin des atomes magnétiques dopés est limité pour obtenir un ordre magnétique robuste à longue portée à la surface du TI. La proximité magnétique entre les TI et les matériaux magnétiques permet d'éviter l'introduction d'atomes ou de défauts dopants, en gagnant un ordre magnétique à longue portée par couplage d'échange interfacial. La réflectivité des neutrons polarisés en spin (PNR) a été utilisée pour étudier le magnétisme de l'interface à l'hétérostructure de Bi₂ Se₃ /EuS (Fig. 2c) [32]. Le résultat PNR montre que le Bi₂ Se₃ La bicouche /EuS a un ordre ferromagnétique à l'interface, et ce ferromagnétisme interfacial topologiquement amélioré peut persister jusqu'à la température ambiante (Fig. 2d). La réalisation d'un état de surface ferromagnétique dans un TI devrait permettre l'émergence de plusieurs phénomènes importants, tels que l'effet magnétoélectrique interfacial [33] et le monopôle magnétique image induit par un champ électrique [34].

Reproduit avec la permission de Chang et al., Science 340, 167 (2013 ). Copyright 2013 L'Association américaine pour l'avancement des sciences [24]. c, d Reproduit avec la permission de Katmis et al., Nature 553, 513 (2016). Copyright 2016 Nature Publishing Group [32]

Moment magnétique induit dans les TI. un Schéma du QAHE dans un film mince magnétique TI. La direction de magnétisation (M) est indiquée par des flèches rouges. Le potentiel chimique du film peut être contrôlé par une tension de grille appliquée sur la face arrière du substrat diélectrique. b Dépendance du champ magnétique de QAHE à différentes tensions de grille en Cr_0,15 (Bi_0.1 Sb_0.9 )_1.85 Te₃ film. c Schéma de l'expérience de réflectivité des neutrons polarisés (PNR) pour Bi₂ Se₃ /Film bicouche EUS. d Observation de l'ordre ferromagnétique dans Bi₂ Se₃ /EuS échantillon bicouche via couplage magnétique de proximité à l'EuS mesuré par mesures PNR. un , b

Magnétisme induit dans d'autres matériaux 2D

Outre le graphène et les TI, le magnétisme induit par des défauts intrinsèques et des dopants dans d'autres matériaux 2D a également été étudié, notamment le phosphorène [35], le silicène [36, 37], GaSe [38], GaN [39], ZnO [40], etc. Les résultats des calculs des premiers principes ont montré qu'une interaction entre la lacune et la contrainte externe peut donner lieu au magnétisme dans le phosphorène. Lorsqu'une déformation suit la direction en zigzag du phosphorène et que les lacunes P atteignent 4%, le système présente un état polarisé en spin avec un moment magnétique de ~ 1 μ _B par poste vacant [35]. Les calculs des premiers principes ont également prédit que le dopage des trous peut induire une transition de phase ferromagnétique dans GaSe et GaS, en raison de la division par échange des états électroniques au sommet de la bande de valence. Le moment magnétique peut atteindre 1,0 μ _B par transporteur [38, 39]. Cependant, la plupart de ces investigations se limitent à des calculs théoriques. D'autres études, en particulier des travaux expérimentaux, sont nécessaires pour comprendre les comportements magnétiques et explorer un semi-conducteur ferromagnétique 2D robuste à température ambiante pour des applications pratiques.

Aimants 2D intrinsèques

Récemment, un autre membre de la famille 2D vdW, l'aimant 2D, a été obtenu expérimentalement [19, 41]. Cette percée a immédiatement attiré l'attention pour explorer le domaine du magnétisme 2D. Le groupe de Xu a signalé pour la première fois que CrI₃ jusqu'à la monocouche présente un ferromagnétisme d'Ising avec une forte anisotropie magnétique hors du plan par la technique de l'effet Kerr magnéto-optique (MOKE) (Fig. 3a) [42]. De plus, CrI₃ présente une phase magnétique dépendante de la couche, où la monocouche et la tricouche CrI₃ sont ferromagnétiques tandis que la bicouche est antiferromagnétique. Gong et al. a signalé un autre matériau 2D, Cr₂ Ge₂ Te₆ , qui a un ordre ferromagnétique intrinsèque à longue distance dans les couches atomiques [43]. Différent de CrI₃ , Cr₂ Ge₂ Te₆ est signalé comme étant un ferromagnétique Heisenberg 2D avec une faible anisotropie magnétique. Comme le montre la figure 3b, la température de transition ferromagnétique de Cr₂ Ge₂ Te₆ est lié au nombre de couches. Un autre ferromagnétique 2D populaire est Fe₃ GeTe₂ , qui est un métal ferromagnétique vdW composé de couches de Fe/FeGe/Fe, pris en sandwich entre deux couches d'atomes de Te [44]. L'effet Hall anormal a été utilisé pour étudier le magnétisme de Fe₃ GeTe₂ , et les résultats montrent Fe₃ GeTe₂ a une forte anisotropie magnétique avec une direction d'aimantation facile parallèle à l'axe c et une température de Curie de 230 K (Fig. 3c) [45]. Cependant, la température de Curie de ces matériaux est inférieure à la température ambiante, ce qui constitue un obstacle majeur pour l'application des appareils. Avoir une température de Curie supérieure à la température ambiante est une condition préalable à l'application pratique de matériaux magnétiques bidimensionnels. Les chercheurs ont préparé des monocouches ferromagnétiques à température ambiante 1 T-VSe₂ par épitaxie par jets moléculaires (MBE) [41]. Le T-CrTe₂ à quelques couches 1 récemment signalé ont présenté une température de Curie aussi élevée que 316 K [46], ce qui offre la possibilité d'appliquer des dispositifs spintroniques 2D à l'avenir. En plus des matériaux ferromagnétiques 2D, les matériaux antiferromagnétiques 2D sont largement rapportés, tels que FePS₃ [47], MnPS₃ [48], et CrCl₃ [49]. Plus surprenant, l'équipe de Zhang Yuanbo a récemment rapporté un QAHE induit par un champ magnétique dans un isolant topologique magnétique intrinsèque MnBi₂ Te₄ [50]. MnBi₂ Te₄ est un antiferromagnétique avec ferromagnétisme intracouche et antiferromagnétisme intercouche. En sondant le transport quantique, une quantification exacte de l'effet Hall anormal dans un MnBi₂ vierge à cinq couches Te₄ des flocons ont été observés à un champ magnétique modéré supérieur à μ ₀ H ~ 6 T à basse température (Fig. 3d).

Reproduit avec la permission de Huang et al., Nature 546, 271 (2017 ). Copyright 2017 Nature Publishing Group [42]. b Reproduit avec la permission de Gong et al., Nature 546, 265 (2017). Copyright 2017 Nature Publishing Group [43]. c Reproduit avec la permission de Fei et al., Nat. Mater. 17, 778 (2018). Copyright 2018 Nature Publishing Group [44]. d Reproduit avec la permission de Deng et al., Science 367, 895 (2020). Copyright 2020 L'Association américaine pour l'avancement des sciences [50]

Aimants 2D intrinsèques. un Signal d'effet Kerr magnéto-optique polaire (MOKE) pour un CrI₃ monocouche. L'encart montre une image optique d'une monocouche isolée CrI₃ . b Températures de transition T_C∗ de Cr₂ Ge₂ Te₆ pour différentes épaisseurs, le tracé à carrés bleus obtenu à partir des mesures de Kerr, et le tracé à cercles rouges à partir des calculs théoriques. L'encart montre une image optique de Cr₂ exfolié Ge₂ Te₆ couches atomiques sur SiO₂ /Si. c Balayages du champ magnétique dépendant de la température de la résistance de Hall mesurée sur un Fe₃ de 12 nm d'épaisseur GeTe₂ appareil. L'encart montre une image au microscope à force atomique d'un flocon de FGT mince représentatif sur SiO₂ . d QAHE induit par champ magnétique dans un MnBi₂ à cinq couches Te₄ goûter. R dépendant du champ magnétique _yx à diverses températures. L'encart montre la structure cristalline de MnBi₂ Te₄ et une image optique de paillettes à quelques couches de MnBi₂ Te₄ clivé par un Al₂ O₃ - méthode d'exfoliation assistée. un

Fonctionnalités élémentaires des opérations de dispositifs spintroniques 2D

Les développements récents dans les matériaux 2D émergents et certaines techniques de caractérisation avancées ont permis au domaine de la spintronique 2D de se développer rapidement [51,52,53]. Les problèmes clés pour la réalisation de dispositifs spintroniques incluent la conversion de charge de spin, le transport de spin et la manipulation de spin. La génération et la détection efficaces du courant de spin est le défi majeur du développement de dispositifs spintroniques 2D qui remplacent les dispositifs électriques. Le transport de spin nécessite un canal de transport approprié avec une longue durée de vie de spin et une propagation de spin à longue distance. La manipulation de la rotation est nécessaire pour contrôler le courant de rotation et obtenir la fonctionnalité de l'appareil.

Conversion Spin-Charge

De nombreuses méthodes sont proposées pour réaliser la conversion spin-charge, comme par injection/détection de spin électrique ou en utilisant l'effet Hall de spin et les effets Edelstein, qui proviennent du SOC [54, 55, 56]. Cependant, l'effet Hall de spin se produit généralement dans les matériaux en vrac, tandis que l'effet Edelstein est généralement considéré comme un effet d'interface [55].

Les mesures « non locales » et « locales » sont couramment utilisées pour effectuer une injection/détection de spin électrique dans un matériau de canal [14]. Pour la mesure non locale (Fig. 4a), l'électrode E2 est un métal ferromagnétique en tant qu'injecteur de spin et E3 est une électrode ferromagnétique en tant que détecteur de spin. Un courant appliqué circule des électrodes E1 à E2, et E3 et E4 sont utilisés pour détecter le signal de courant de spin pur diffusé. La polarité de la tension mesurée entre E3 et E4 dépend des configurations d'aimantation des électrodes E2 et E3. Cette méthode permet d'obtenir un courant de spin pur sans courant de charge, tandis que les mesures « locales » obtiennent un signal mixte de courant de spin et de courant de charge (Fig. 4b). La différence de tension entre les alignements d'aimantation parallèle et antiparallèle des électrodes E2 et E3 est considérée comme le signal de transport de spin.

Reproduit avec la permission de Han et al., Nat. Nanotechnologie. 9, 794 (2014). Copyright 2018 Nature Publishing Group [14]. c , d Reproduit avec la permission de Mendes et al., Phys. Rév. Lett. 115, 226601 (2015). Copyright 2015 American Chemical Society [68]. e , f Reproduit avec la permission de Shao et al., Nano Lett. 16, 7514 (2016). Copyright 2016 Société chimique américaine [71]

Conversion de spin et de charge dans les matériaux 2D. un Injection et détection de spin électrique avec des géométries de mesure non locales. b Injection et détection de spin électrique avec des géométries de mesure locales. c Conversion spin-charge dans le graphène sur YIG, un isolant ferromagnétique. Le courant de spin est généré à partir du pompage de spin de YIG et est converti en courant de charge dans le graphène. d Dépendance du champ magnétique de la tension de pompage de spin mesurée sur YIG/Graphène e Mesures SOT pour le MX₂ /CoFeB bicouche. Le MX₂ représente MoS₂ et WSe₂ . f L'illustration de l'accumulation de spin induite par l'effet Rashba-Edelstein (REE) à l'interface de MX₂ /CoFeB sous un champ électrique externe. un , b

Hill et al. ont d'abord rapporté l'injection de spin dans le graphène en utilisant des électrodes magnétiques douces NiFe [57]. Cependant, l'efficacité d'injection de spin est estimée relativement faible, autour de 10 %, ce qui pourrait être attribué à l'inadéquation de la conductance entre le métal ferromagnétique et le graphène. Ensuite, certains chercheurs ont proposé d'utiliser une barrière isolante telle que l'Al₂ O₃ ou MgO en tant que couche pour régler la résistivité interfaciale dépendante du spin et améliorer l'efficacité d'injection de spin [58,59,60], mais la croissance d'une couche d'oxyde de haute qualité est un défi majeur. Certaines méthodes ont été utilisées pour améliorer la technique de croissance de couche d'oxyde ou passer à une autre couche d'oxyde interfaciale, telle qu'une couche de TiO₂ ou HfO₂ [61, 62]. Cependant, la résistivité interfaciale dépendante du spin reste le problème fondamental, ce qui conduit à une faible efficacité d'injection de spin. Un matériau isolant 2D, le nitrure de bore hexagonal (h-BN), a une structure cristalline similaire à celle du graphène. Des études théoriques et expérimentales ont montré que l'utilisation de h-BN comme barrière tunnel peut produire une interface de haute qualité et améliorer considérablement l'efficacité d'injection de spin du graphène. Le h-BN à quelques couches présente de meilleures performances d'injection de spin que le h-BN monocouche [63, 64]. Néanmoins, ces résultats de recherche laissent encore un grand vide à combler avant que l'application pratique ne soit possible. En fin de compte, obtenir une injection de spin parfaite (100 %) nécessite de nombreuses recherches, et les matériaux 2D offrent une direction prometteuse, comme les hétérostructures 2D composées de matériaux ferromagnétiques 2D, de barrières tunnel 2D et de canaux de transport 2D.

L'effet (inverse) Rashba-Edelstein est un effet d'interface provenant du SOC fort, qui peut être utilisé pour obtenir une conversion spin-charge [65]. Bien que le graphène intrinsèque ait un SOC plutôt faible, il peut obtenir une conversion de charge de spin efficace en utilisant le fort SOC du matériau adjacent via un effet de proximité [66, 67]. Comme le montre la figure 4c, lorsque le graphène est adjacent à l'isolant ferromagnétique YIG, le courant de spin est généré dans la couche YIG par pompage de spin, puis converti en courant de charge dans le graphène par l'effet Edelstein inverse [68]. La figure 4d montre les courbes de tension de pompage de spin en fonction du champ dans le dispositif YIG/graphène. Les tensions de pompage de spin peuvent être détectées dans le champ magnétique perpendiculaire au canal de graphène. De plus, lorsque le champ magnétique externe est tourné le long du canal de graphène, il n'y a pas de tension de pompage de spin. De plus, un gating liquide ionique appliqué sur la surface du graphène peut évidemment moduler les propriétés du graphène pour modifier l'efficacité de conversion spin-charge de YIG/graphène [56].

Contrairement au graphène, les TMDC à fort SOC sont considérés comme des matériaux prometteurs pour la conversion de charge de spin [69, 70]. Un grand couple spin-orbite (SOT) en TMDC monocouche (MoS₂ ou WSe₂ La structure bicouche )/CoFeB a été générée via une accumulation de spin induite par le courant causée par l'effet Rashba-Edelstein (Fig. 4e, f) [71]. Le couple de type champ et le couple de type amortissement ont été déterminés via une mesure de la seconde harmonique, et les résultats montrent que les TMDC monocouches à grande surface ont des applications potentielles en raison de leur haute efficacité pour l'inversion de la magnétisation. De plus, la technique de résonance ferromagnétique spin-couple (ST-FMR) a été utilisée pour étudier la conversion de spin et de charge dans les TMDC. Par exemple, un résultat ST-FMR intéressant montre que le SOT peut être contrôlé par la symétrie cristalline de WTe₂ en WTe₂ / Bicouches permalloy. Lorsque le courant est appliqué le long de l'axe de faible symétrie de WTe₂ , un couple anti-amortissement hors plan peut être généré [72]. La propriété de verrouillage de l'impulsion de spin dans les états de surface TI est utile pour réaliser l'injection de courant de spin dans les matériaux adjacents via SOT. En raison de la forte corrélation entre la direction de polarisation du spin et la direction du courant de charge, la direction du spin peut être manipulée par le courant de charge dans les TI. Différentes techniques de mesure ont été utilisées pour étudier la conversion spin-charge, y compris la mesure du second harmonique, le pompage de spin et ST-FMR. Ces résultats de mesure démontrent qu'il est possible de générer un SOT efficace dans des matériaux 2D tels que les TMDC et les TI.

Spin Transport

La clé du transport de spin est d'obtenir un canal de transport de spin favorable avec une longue longueur de diffusion de spin et un temps de relaxation de spin. La relaxation du spin est causée par la diffusion de quantité de mouvement, de sorte que le graphène avec un faible SOC est considéré comme un matériau idéal pour le transport du spin [14, 73]. Tombros et al. [74] ont réalisé un transport de spin électronique et une précession de spin dans une valve de spin latérale en graphène unique à température ambiante par mesure non locale en 2007. Comme le montrent les Fig. 5a, b, la valve de spin non locale est composée de cobalt ferromagnétique à quatre bornes comme électrodes, un mince Al₂ O₃ couche d'oxyde comme barrière et une feuille de graphène comme canal de transport de spin. Le signal de mesure de la figure 5c montre que si les électrodes ferromagnétiques pour l'injection de spin et la détection de spin ont des aimantations parallèles, la résistance non locale mesurée par les contacts 1 et 2 a une valeur positive. Si les électrodes ferromagnétiques pour l'injection de spin et la détection de spin ont des aimantations antiparallèles, alors la résistance non locale montre une valeur négative. La précession de spin de Hanle peut être utilisée pour déterminer la longueur de diffusion du spin et la durée de vie du spin. Comme le montre la figure 5d, la durée de vie du spin (τ _sf ) et la longueur de relaxation de spin (λ _sf ) sont de 125 ps et 1,3 m, respectivement, dans une vanne de spin latérale unique en graphène à température ambiante. De plus, la porte peut être utilisée pour améliorer la longueur de relaxation du spin et la durée de vie du spin [75, 76]. La théorie prédit que la durée de vie du spin dans le graphène vierge peut atteindre 1 s, alors que les valeurs expérimentales rapportées vont de picosecondes à quelques nanosecondes.

Reproduit avec la permission de Tombros et al., Nature 448, 571 (2007 ). Copyright 2007 Nature Publishing Group [74]. e –h Reproduit avec la permission d'Avser et al., Nat. Phys. 13, 888 (2017). Copyright 2017 Nature Publishing Group [84]

Transport de spin dans les valves de spin latérales. un Géométries de mesure de transport de spin non local. Un courant est injecté de l'électrode 3 à travers l'Al₂ O₃ barrière en graphène et est extrait au contact 4. b Micrographie électronique à balayage d'une valve de spin à quatre bornes avec du graphène monocouche comme canaux de transport de spin et du Co comme quatre électrodes ferromagnétiques. c Signal de valve de spin non local à 4,2 K. Les configurations magnétiques des électrodes sont illustrées pour les deux directions de balayage. d Précession de spin de Hanle dans la géométrie non locale, mesurée en fonction du champ magnétique perpendiculaire B _z pour les configurations parallèles. e Schémas d'une valve de spin au phosphore noir. L'encart montre les schémas de l'hétérostructure. f Image optique de l'appareil. g Signal de valve de spin non local en fonction du champ magnétique dans le plan. L'aimantation relative des électrodes de l'injecteur et du détecteur est illustrée par des flèches verticales, et les flèches horizontales représentent les directions de balayage du champ magnétique. h Précession de spin de Hanle dans la géométrie non locale, mesurée en fonction du champ magnétique perpendiculaire B _z pour les configurations parallèles et antiparallèles. L'encart montre la précession de spin sous le champ magnétique appliqué. un –d

De nombreuses méthodes améliorées sont utilisées pour augmenter la longueur de diffusion de spin et la durée de vie du spin, et certains dispositifs présentent déjà de longues longueurs de diffusion de spin de l'ordre du micromètre [13, 77, 78]. Par exemple, le graphène épitaxié sur SiC a une mobilité élevée, présentant une efficacité de transport de spin jusqu'à 75 % et une longueur de diffusion de spin dépassant 100 µm [79]. L'hétérostructure h-BN/graphène/h-BN présente des performances de transport de spin à longue distance, où la longueur de diffusion de spin peut atteindre 30,5 µm à température ambiante [13]. Le transport de spin dans les matériaux 2D peut être affecté par la diffusion/dérive, qui peut être modulée en appliquant un champ électrique. Ingla-Aynés et al. [80] ont rapporté une longueur de relaxation de spin jusqu'à 90 m dans du graphène bicouche encapsulé dans du h-BN en utilisant la dérive du porteur. Cependant, le faible SOC et la bande interdite nulle du graphène intrinsèque limitent ses perspectives pour les dispositifs de spin semi-conducteurs. Le phosphore noir a une bande interdite directe importante et une mobilité à température ambiante de 1 000 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , qui en font un matériau spintronique semi-conducteur idéal [81,82,83]. Avsar et al. [84] ont construit une valve de spin latérale basée sur une feuille de phosphore noir ultrafine et mesuré ses propriétés de transport de spin à température ambiante via la géométrie non locale (Fig. 5e, f). Le transport de spin électronique sur la figure 5g montre que lorsque les directions de magnétisation des ferroaimants changent, la résistance non locale a un changement de R 15Ω. En plus de cela, la précession de spin de Hanle montre des temps de relaxation de spin jusqu'à 4 ns et des longueurs de relaxation de spin dépassant 6 µm (Fig. 5h). Le transport de spin dans le phosphore noir est étroitement lié à la concentration de porteurs de charge, de sorte que le signal de spin peut être contrôlé en appliquant un champ électrique.

Manipulation de rotation

Réaliser la manipulation de la rotation est la clé d'une fonctionnalisation efficace de l'appareil. L'application d'une tension de grille peut contrôler la concentration de porteurs dans le matériau, ce qui peut être utilisé pour manipuler les signaux de spin [85, 86]. Divers matériaux 2D en tant que canaux de transport de spin ont été étudiés pour réaliser l'ajustement des paramètres de transport de spin via l'application d'une tension de grille. Par exemple, le graphène induit par le biais peut obtenir une polarisation d'injection de spin et de détection jusqu'à 100 % dans l'hétérostructure ferromagnétique/bicouche h-BN/graphène/h-BN [64]. Une vanne de spin accordable par grille basée sur le phosphore noir peut atteindre un temps de relaxation de spin de l'ordre de la nanoseconde et une longue durée de relaxation de spin [84]. Pour un MoS semi-conducteur₂ 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 en fonction de 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. un 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 et R _PA for parallel and antiparallel magnetization orientations of the Co electrodes. The spin signal is calculated as ΔR _nl  = R _P − R _PA . 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 en fonction de 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. un 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. Je _s et Je _sortie denote the injection and detection currents, respectively. The magnetizations of the electrodes are input logic 1 and 0. The detected current I _sortie serves as the logic output. e Je _sortie 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. un , 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.

Disponibilité des données et des matériaux

Non applicable.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

GMR:

Giant magnetoresistance effect

STT-MRAM:

Spin-transfer-torque magnetoresistive random-access memory

vdW :

Van der Waals

SOC :

Spin–orbit coupling

TMDC :

Dichalcogénures de métaux de transition

TIs:

Topological insulators

CALMAR :

Dispositif d'interférence quantique supraconducteur

YIG:

Yttrium iron garnet

QAHE:

Quantum anomalous Hall effect

PNR:

Spin-polarized neutron reflectivity

MOKE:

Magneto-optical Kerr effect

MBE :

Epitaxie par faisceau moléculaire

h-BN :

Nitrure de bore hexagonal

SOT:

Spin–orbit torque

ST-FMR:

Spin-torque ferromagnetic resonance

MTJ:

Magnetic tunnel junction

sFET:

Spin field-effect transistor

TMR:

Tunneling magnetoresistance

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

2DEG:

Gaz d'électrons bidimensionnel

sTFET:

Spin tunnel field-effect transistor

XOR:

Exclusive or

CMOS :

Complementary metal-oxide semiconductor