Progrès pionniers dans la spintronique bidimensionnelle : recherche de pointe et horizons futurs

Résumé

La spintronique est la technologie la plus prometteuse pour développer des dispositifs électroniques multifonctionnels, à haute vitesse et à faible consommation d'énergie. En raison de leurs caractéristiques physiques inhabituelles, les matériaux bidimensionnels (2D) émergents fournissent une nouvelle plateforme pour explorer de nouveaux dispositifs spintroniques. Récemment, la spintronique 2D a fait de grands progrès dans les recherches théoriques et expérimentales. Ici, les progrès de la spintronique 2D ont été passés en revue. Enfin, les défis actuels et les opportunités futures ont été soulignés dans ce domaine.

Introduction

Avec la découverte et l'application de l'effet magnétorésistance géant (GMR), la spintronique s'est rapidement développée en un domaine attractif, visant à utiliser le degré de liberté de spin des électrons comme porteur d'information pour réaliser le stockage de données et les opérations logiques [1,2,3]. Comparés aux dispositifs microélectroniques conventionnels basés sur la charge, les dispositifs spintroniques nécessitent moins d'énergie pour commuter un état de spin, 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 haute vitesse et à faible consommation d'énergie. Bien que la mémoire magnétique à transfert de couple de spin (STT-MRAM) ait été produite commercialement, divers problèmes techniques doivent encore être résolus. Les principaux défis incluent la génération et l'injection efficaces de porteurs polarisés en spin, la transmission de spin à longue distance, et la manipulation et la détection de la direction du spin [4,5,6].

En parallèle avec l'essor de la spintronique, les matériaux de van der Waals (vdW) bidimensionnels ont été à la frontière de la recherche sur les matériaux depuis l'isolement du graphène [7,8,9]. Distincts de leurs matériaux massiques, 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 électronique/trou élevée, des durées de vie de spin longues et des longueurs de diffusion longues, ce qui en fait un candidat prometteur pour un canal de spin [13,14,15]. Cependant, en raison de ses caractéristiques de gap nul et de couplage spin-orbite (SOC) faible, le graphène a des limitations pour construire des commutateurs de courant basés sur le graphène. En revanche, les dichalcogénures de métaux de transition 2D (TMDCs) ont des gaps de bande variés, un effet SOC fort, et surtout un couplage spin-vallée unique, fournissant une plateforme pour manipuler les degrés de liberté de spin et de vallée pour le stockage d'information non volatile [16, 17]. Les isolants topologiques (TIs) avec des états de surface topologiquement protégés ont de fortes interactions spin-orbite pour réaliser le verrouillage spin-impulsion, ce qui peut supprimer la diffusion et améliorer l'efficacité de conversion spin-charge [4, 12, 18]. Les aimants 2D émergents avec des états 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 passer en revue 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 TIs, 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 les opérations des dispositifs spintroniques 2D, y compris la conversion spin-charge, le transport de spin, et la manipulation de spin dans les matériaux 2D et à leurs interfaces. La troisième section survole les applications de la spintronique 2D. La quatrième section introduit plusieurs dispositifs spintroniques 2D potentiels pour le stockage de mémoire et les applications logiques. La section finale discute certains défis actuels et opportunités futures dans la spintronique 2D pour atteindre l'application pratique.

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 les matériaux non magnétiques magnétiques. La première méthode est de générer une polarisation de spin en introduisant des lacunes ou en ajoutant des ad-atomes [22,23,24]. L'autre est d'introduire le 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 magnétiques fondamentaux 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 pur est fortement diamagnétique, donc 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 ad-atomes d'hydrogène pour droper 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 moments magnétiques dans le graphène [23]. Comme montré dans Fig. 1b, la creux caractéristique apparaissant à champ magnétique nul dans la mesure de transport de spin non local montre que le courant de spin pur est dispersé par couplage d'échange entre les électrons de conduction et les moments magnétiques locaux induits par l'hydrogène. De plus, le graphène avec des ad-atomes 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 d'un ordre ferromagnétique à longue portée dans le graphène dopé reste un défi écrasant. Certains chercheurs ont proposé d'utiliser l'effet de proximité magnétique pour faire gagner du magnétisme au graphène [29]. Lorsque le graphène est adjacent à un isolant magnétique, les orbitales π du graphène et les orbitales d polarisées en spin voisines dans l'isolant magnétique ont une interaction d'échange pour générer un couplage ferromagnétique à longue portée. Comme montré dans Fig. 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].

Moments magnétiques induits dans les TIs

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 des TIs est considéré comme un matériau 2D plus stable [30]. De plus, l'état de surface des TIs présente la propriété de verrouillage spin-impulsion, qui fournit un moyen de manipuler le signal de spin via la direction du courant de charge. Plus intéressant, la rupture de la symétrie de réversibilité temporelle 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] ont observé pour la première fois le QAHE dans un TI magnétique dopé au Cr, Cr_0.15(Bi_0.1Sb_0.9)_1.85Te₃. Comme démontré dans Fig. 2a, en ajustant le niveau de Fermi des bandes de TI induites magnétiquement, nous pouvons observer un plateau de conductance de Hall de e²/h. Les résultats mesurés montrent que la résistance Hall anormale ajustable par grille atteint la valeur quantifiée de h/_e² à champ magnétique nul (Fig. 2b). Cependant, l'effet de diffusion de spin des atomes magnétiques dopés est limité pour atteindre un ordre magnétique robuste à longue portée à la surface du TI. La proximité magnétique entre les TIs et les matériaux magnétiques peut éviter l'introduction d'atomes de dopage ou de défauts, gagnant un ordre magnétique à longue portée par couplage d'échange interfacial. La réflectivité neutronique polarisée en spin (PNR) a été utilisée pour étudier le magnétisme d'interface à l'hétérostructure de Bi₂Se₃/EuS (Fig. 2c) [32]. Le résultat PNR montre que le bicouche Bi₂Se₃/EuS a un ordre ferromagnétique à l'interface, et ce ferromagnétisme interfacial renforcé topologiquement peut persister jusqu'à la température ambiante (Fig. 2d). La réalisation d'un état de surface ferromagnétique dans un TI est prédite pour permettre l'émergence de plusieurs phénomènes proéminents, tels que l'effet magnétoélectrique interfacial [33] et le monopôle magnétique image induit par champ électrique [34].

Magnétisme induit dans d'autres matériaux 2D

En plus du graphène et des TIs, le magnétisme induit par des défauts intrinsèques et des dopants dans d'autres matériaux 2D a également été étudié, y compris le phosphorène [35], le silicène [36, 37], GaSe [38], GaN [39], ZnO [40], etc. Les résultats de calculs de premiers principes ont montré qu'une interaction entre lacune et contrainte externe peut donner lieu au magnétisme dans le phosphorène. Lorsque une contrainte est le long de la direction 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 site de lacune [35]. Les calculs de premiers principes ont également prédit que le dopage de trous peut induire une transition de phase ferromagnétique dans GaSe et GaS, due à la séparation d'échange des états électroniques au sommet de la bande de valence. Le moment magnétique peut être aussi grand que 1,0 μ_B par porteur [38, 39]. Cependant, la plupart de ces investigations sont limitées aux calculs théoriques. Des études supplémentaires, particulièrement des travaux expérimentaux, sont nécessaires pour comprendre les comportements magnétiques et explorer des semi-conducteurs ferromagnétiques 2D robustes à température ambiante pour des applications pratiques.

Aimants 2D intrinsèques

Récemment, un autre membre de la famille vdW 2D, l'aimant 2D, a été obtenu expérimentalement [19, 41]. Cette percée a immédiatement attiré une attention extensive pour explorer le domaine du magnétisme 2D. Le groupe de Xu a rapporté pour la première fois que CrI₃ jusqu'à la monocouche présente un ferromagnétisme d'Ising avec une forte anisotropie magnétique hors plan par la technique d'effet Kerr magnéto-optique (MOKE) (Fig. 3a) [42]. De plus, CrI₃ présente une phase magnétique dépendante de la couche, où les monocouches et trilayers de CrI₃ sont ferromagnétiques tandis que le bicouche est antiferromagnétique. Gong et al. ont rapporté un autre matériau 2D, Cr₂Ge₂Te₆, qui a un ordre ferromagnétique intrinsèque à longue portée dans les couches atomiques [43]. Différent de CrI₃, Cr₂Ge₂Te₆ est rapporté comme un ferromagnétique de Heisenberg 2D avec une petite anisotropie magnétique. Comme montré dans Fig. 3b, la température de transition ferromagnétique de Cr₂Ge₂Te₆ est liée au nombre de couches. Un autre ferromagnétique 2D populaire est Fe₃GeTe₂, qui est un métal ferromagnétique vdW composé de couches Fe/FeGe/Fe empilées, sandwichées entre deux couches d'atomes Te [44]. L'effet Hall anormal a été utilisé pour étudier le magnétisme de Fe₃GeTe₂, et les résultats montrent que Fe₃GeTe₂ 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 est un gros obstacle pour l'application des dispositifs. Avoir une température de Curie au-dessus de la température ambiante est un prérequis pour l'application pratique des matériaux magnétiques bidimensionnels. Les chercheurs ont préparé des monocouches ferromagnétiques 1 T-VSe₂ à température ambiante par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) [41]. Le 1 T-CrTe₂ peu de couches récemment rapporté a exhibé une température de Curie aussi haute que 316 K [46], ce qui fournit la possibilité pour l'application de dispositifs spintroniques 2D dans le futur. 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 le QAHE induit par champ magnétique dans un isolant topologique magnétique intrinsèque MnBi₂Te₄ [50]. MnBi₂Te₄ est un antiferromagnétique avec ferromagnétisme intralayer et antiferromagnétisme interlayer. En sondant le transport quantique, une quantification exacte de l'effet Hall anormal dans un flocon pur de MnBi₂Te₄ à cinq couches a été observée à un champ magnétique modéré au-dessus de μ₀H ~ 6 T à basse température (Fig. 3d).

Fonctionnalités élémentaires des opérations des 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 enjeux clés pour la réalisation des dispositifs spintroniques incluent la conversion spin-charge, le transport de spin, et la manipulation de spin. La génération et la détection efficaces du courant de spin est le défi majeur pour développer des dispositifs spintroniques 2D qui remplacent les dispositifs électriques. Le transport de spin désire un canal de transport approprié avec une longue durée de vie de spin et une propagation de spin à longue distance. La manipulation de spin est requise pour contrôler le courant de spin et atteindre la fonctionnalité du dispositif.

Conversion spin-charge

De nombreuses méthodes sont proposées pour réaliser la conversion spin-charge, telles que par injection/détection électrique de spin 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 massiques, 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 l'injection/détection électrique de spin dans un matériau de canal [14]. Pour la mesure non locale (Fig. 4a), l'électrode E2 est un métal ferromagnétique comme injecteur de spin, et E3 est une électrode ferromagnétique comme détecteur de spin. Un courant appliqué circule des électrodes E1 à E2, et E3 et E4 sont utilisées 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 peut obtenir un courant de spin pur sans courant de charge, tandis que les mesures "locales" obtiennent un signal mélangé de courant de spin et de courant de charge (Fig. 4b). La différence de tension entre les alignements d'aimantation parallèles et antiparallèles des électrodes E2 et E3 est considérée comme le signal de transport de spin.

Hill et al. ont rapporté pour la première fois l'injection de spin dans le graphène en utilisant des électrodes NiFe magnétiques douces [57]. Cependant, l'efficacité d'injection de spin est estimée être relativement faible, environ 10 %, ce qui pourrait être attribué au désaccord de conductance entre le métal ferromagnétique et le graphène. Ensuite, certains chercheurs ont proposé d'utiliser une barrière isolante telle que Al₂O₃ ou MgO comme couche pour ajuster 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 la couche d'oxyde ou changer pour 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. Les études théoriques et expérimentales ont montré qu'utiliser h-BN comme barrière de tunnel peut produire une interface de haute qualité et améliorer grandement l'efficacité d'injection de spin du graphène. Le h-BN peu de 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. Finalement, pour atteindre une injection de spin parfaite (100 %), beaucoup de recherches sont nécessaires, et les matériaux 2D fournissent une direction prometteuse, telles que les hétérostructures 2D composées de matériaux ferromagnétiques 2D, de barrières de tunnel 2D, et de canaux de transport 2D.

L'effet Rashba-Edelstein (inverse) est un effet d'interface provenant du SOC fort, qui peut être utilisé pour réaliser la conversion spin-charge [65]. Bien que le graphène intrinsèque ait un SOC plutôt faible, il peut atteindre une conversion spin-charge efficace en utilisant le SOC fort du matériau adjacent via l'effet de proximité [66, 67]. Comme montré dans Fig. 4c, lorsque le graphène est adjacent à l'isolant ferromagnétique YIG, le courant de spin est généré dans la couche YIG via le 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 orienté le long du canal de graphène, il n'y a pas de tension de pompage de spin. En outre, un grillage par liquide ionique appliqué sur la surface du graphène peut moduler évidemment les propriétés du graphène pour changer l'efficacité de conversion spin-charge de YIG/graphène [56].

Contrairement au graphène, les TMDCs avec un SOC fort sont considérés comme des matériaux prometteurs pour réaliser la conversion spin-charge [69, 70]. Un grand couple spin-orbite (SOT) dans une structure bicouche TMDC monocouche (MoS₂ ou WSe₂)/CoFeB a été généré via l'accumulation de spin induite par courant causée par l'effet Rashba-Edelstein (Fig. 4e, f) [71]. Le couple de type champ et le couple d'amortissement ont été déterminés via une mesure d'harmonique secondaire, et les résultats montrent que les TMDCs monocouches de grande surface ont des applications potentielles en raison de leur haute efficacité pour l'inversion d'aimantation. De plus, la technique de résonance ferromagnétique de couple de spin (ST-FMR) a été utilisée pour étudier la conversion spin-charge dans les TMDCs. Par exemple, un résultat ST-FMR intéressant montre que le SOT peut être contrôlé par la symétrie cristalline de WTe₂ dans les bicouches WTe₂/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 spin-impulsion dans les états de surface des TIs 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 de spin et la direction du courant de charge, la direction de spin peut être manipulée par le courant de charge dans les TIs. Différentes techniques de mesure ont été utilisées pour étudier la conversion spin-charge, y compris la mesure d'harmonique secondaire, le pompage de spin, et ST-FMR. Ces résultats de mesure démontrent qu'il est possible de générer un SOT efficace dans les matériaux 2D tels que les TMDCs et les TIs.

Transport de spin

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 de spin est causée par la diffusion de quantité de mouvement, donc le graphène avec un SOC faible est considéré comme un matériau idéal pour le transport de spin [14, 73]. Tombros et al. [74] ont réalisé le transport électronique de spin et la précession de spin dans une vanne de spin latérale de graphène unique à température ambiante par mesure non locale en 2007. Comme montré dans Fig. 5a, b, la vanne de spin non locale est composée de quatre électrodes ferromagnétiques de cobalt comme électrodes, une fine couche d'oxyde Al₂O₃ comme barrière, et une feuille de graphène comme canal de transport de spin. Le signal de mesure dans Fig. 5c montre que si les électrodes ferromagnétiques pour l'injection 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 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 de spin et la durée de vie de spin. Comme montré dans Fig. 5d, la durée de vie de spin (τ_sf) et la longueur de relaxation de spin (λ_sf) sont de 125 ps et 1,3 μm, respectivement, dans une vanne de spin latérale de graphène unique à température ambiante. De plus, la grille peut être utilisée pour améliorer la longueur de relaxation de spin et la durée de vie de spin [75, 76]. La théorie a prédit que la durée de vie de spin dans le graphène pur peut atteindre 1 μs, alors que les valeurs expérimentales rapportées varient de picosecondes à quelques nanosecondes.

De nombreuses méthodes améliorées sont utilisées pour augmenter la longueur de diffusion de spin et la durée de vie de spin, et certains dispositifs présentent déjà de longues longueurs de diffusion de spin dans la gamme micrométrique [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 une performance 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 diffusion/dérive, qui peut être modulé en appliquant un champ électrique. Ingla-Aynés et al. [80] ont rapporté une longueur de relaxation de spin jusqu'à 90 μm dans le graphène bicouche encapsulé dans h-BN en utilisant la dérive de porteurs. Cependant, le SOC faible et le gap de bande nul dans le graphène intrinsèque restreignent ses perspectives pour les dispositifs spintroniques semi-conducteurs. Le phosphore noir a un gap de bande direct significatif et une mobilité à température ambiante de 1000 cm² V⁻¹ s⁻¹, ce qui en fait un matériau spintronique semi-conducteur idéal [81,82,83]. Avsar et al. [84] ont construit une vanne de spin latérale basée sur une feuille de phosphore noir ultramince et mesuré ses propriétés de transport de spin à température ambiante via la géométrie non locale (Fig. 5e, f). Le transport électronique de spin dans Fig. 5g montre que lorsque les directions d'aimantation des ferromagnétiques commutent, la résistance non locale a un changement de ΔR ≈ 15 Ω. 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, donc le signal de spin peut être contrôlé en appliquant un champ électrique.

Manipulation de spin

La réalisation de la manipulation de spin est la clé pour une fonctionnalisation efficace du dispositif. 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 comme 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 polarisé par biais peut obtenir une polarisation d'injection et de détection de spin jusqu'à 100 % dans l'hétérostructure ferromagnétique/bicouche h-BN/graphène/h-BN [64]. Une vanne de spin ajustable par grille basée sur le phosphore noir peut atteindre un temps de relaxation de spin dans la gamme nanoseconde et une longue longueur de relaxation de spin [84]. Pour un canal MoS₂ semi-conducteur, l'application d'une tension de grille peut encore obtenir une longueur de diffusion de spin relativement longue, supérieure à 200 nm [70]. Cependant, un dispositif spintronique à effet de champ approprié nécessite un rapport de commutation clair, ce qui est un défi pour le graphène et même pour les matériaux 2D semi-conducteurs [87, 88].

Pour résoudre ce problème, une hétérostructure vdW basée sur du graphène atomiquement mince et du MoS₂ semi-conducteur a été développée pour réaliser un commutateur spintronique à effet de champ via l'application d'une tension de grille (Fig. 6a) [89]. Dans cette structure, les propriétés de transport de spin supérieures du graphène et le SOC fort du MoS₂ sont combinés. La tension de grille appliquée peut changer la conductivité du MoS₂ et l'absorption de spin pendant le transport de spin, ce qui entraîne la commutation du courant de spin entre les états ON et OFF dans le canal de graphène (Fig. 6b). Un autre effort de recherche a produit un rapport similaire sur l'hétérostructure vdW graphène/MoS₂. Dans ce rapport, un contrôle électrique par grille du courant de spin et de la durée de vie de spin dans l'hétérostructure graphène/MoS₂ a été atteint à température ambiante [90]. De plus, ce rapport a souligné que le mécanisme des paramètres de spin ajustables par grille provenait de l'ajustement par grille de la barrière de Schottky à l'interface MoS₂/graphène et de la conductivité du canal MoS₂.

Le SOT induit par courant est considéré comme une autre stratégie efficace pour manipuler le spin. Le courant de spin, généré par l'effet Hall de spin dans les métaux lourds ou l'effet Rashba aux interfaces, peut exercer un couple de spin sur les ferromagnétiques et ainsi réaliser la commutation d'aimantation [91,92,93]. La commutation d'aimantation induite par courant efficace via SOT peut mener à des applications spintroniques innovantes. En raison du SOC fort et de la rupture de symétrie d'inversion temporelle, les TIs dopés magnétiquement sont considérés comme un matériau prometteur pour manipuler les signaux de spin via SOT [94]. Le groupe de Wang a démontré expérimentalement pour la première fois une commutation d'aimantation induite par un courant dans le plan dans un bicouche TI dopé au Cr épitaxié (Bi_0.5Sb_0.5)₂Te₃/(Cr_0.08Bi_0.54Sb_0.38)₂Te₃ (Fig. 6c) [95]. L'angle Hall de spin dans le film TI dopé au Cr, variant de 140 à 425, est presque trois ordres de grandeur plus grand que celui dans les hétérostructures métal lourd/ferromagnétique, et la densité de courant de commutation critique est inférieure à 8,9 × 10⁴ A cm⁻² à 1,9 K (Fig. 6d). De plus, cette équipe a également rapporté un contrôle efficace par champ électrique du SOT dans un film mince (Bi_0.5Sb_0.42)₂Te₃ dopé au Cr épitaxié sur substrat GaAs (Fig. 6e) [96]. L'effet de grille sur la commutation d'aimantation a été étudié en balayant la tension de grille sous un courant constant et un champ magnétique dans le plan appliqué dans le film (Fig. 6f). L'intensité du SOT dépend fortement du courant de surface polarisé en spin dans le film mince, et elle peut être modulée dans une plage de tension de grille appropriée. Le contrôle efficace par champ électrique du SOT dans les structures magnétiques basées sur TI a des applications potentielles dans les mémoires magnétiques et les dispositifs logiques.

En outre, le contrôle électrique des aimants 2D émergents a également été étudié. Par exemple, l'utilisation de champs électriques ou de dopage électrostatique peut réaliser la conversion magnétique du bicouche CrI₃ antiferromagnétique à ferromagnétique [97]. La coercivité et le champ de saturation de quelques couches de Cr₂Ge₂Te₆ peuvent être modulés via un grillage par liquide ionique [98]. En contraste avec les semi-conducteurs magnétiques, le dopage électrostatique peut être utilisé pour contrôler les concentrations de porteurs du métal ferromagnétique, et la température de transition ferromagnétique de Fe₃GeTe₂ peut être dramatiquement élevée à la température ambiante via une grille ionique [99]. L'émergence et la recherche des aimants 2D fournissent une nouvelle plateforme pour l'ingénierie de dispositifs spintroniques 2D de prochaine génération.

Applications de la spintronique 2D

Les matériaux 2D présentent un grand potentiel pour l'ingénierie de dispositifs spintroniques 2D de prochaine génération. Le graphène avec une mobilité électronique/trou élevée, des durées de vie de spin longues et des longueurs de diffusion longues est un candidat prometteur pour un canal de spin. De plus, le graphène peut gagner du magnétisme en introduisant des ad-atomes, ou par effet de proximité magnétique [23, 25]. La densité de porteurs dans le graphène ferromagnétique induit par proximité peut être modulée par grillage, permettant d'observer la dépendance de l'énergie de Fermi de la conductivité d'effet Hall anormal. Ce résultat peut aider à comprendre l'origine physique de l'effet Hall anormal dans les systèmes de fermions de Dirac 2D. La réalisation d'un état de surface ferromagnétique dans un TI est prédite pour permettre l'émergence de plusieurs phénomènes proéminents, tels que l'effet magnétoélectrique interfacial [33], et le monopôle magnétique image induit par champ électrique [34]. Cependant, la technologie actuelle d'induction de magnétisme dans les TIs est confinée aux basses températures, ce qui restreint son potentiel pour les applications. Une exigence clé pour les applications utiles est la génération de ferromagnétisme à température ambiante dans les TIs. Le résultat PNR montre que le bicouche Bi₂Se₃/EuS a un ordre ferromagnétique à l'interface, et ce ferromagnétisme interfacial renforcé topologiquement peut persister jusqu'à la température ambiante [32]. La réponse magnétoélectrique topologique dans un tel TI conçu pourrait permettre une manipulation efficace de la dynamique d'aimantation par un champ électrique, fournissant un mécanisme de contrôle topologique économe en énergie pour les futures technologies basées sur le spin.

Les effets STT et magnétorésistance tunnel (TMR) offrent des approches alternatives pour les opérations d'écriture et de lecture. L'effet STT fait référence à la réorientation de l'aimantation de matériaux ferromagnétiques via le transfert de moments angulaires de spin. La commutation d'aimantation induite par courant efficace via SOT peut mener à des applications spintroniques innovantes [71, 100]. En raison du SOC fort et de la rupture de symétrie d'inversion temporelle, les TIs dopés magnétiquement sont considérés comme un matériau prometteur pour manipuler les signaux de spin via SOT [93]. Le TMR fait référence au comportement magnétorésistance dépendant de l'aimantation. Un rapport TMR élevé est la clé pour atteindre des dispositifs spintroniques avec une sensibilité plus élevée, une consommation d'énergie plus faible. Les matériaux 2D avec un cristal de haute qualité et des interfaces nettes peuvent atteindre de nouvelles fonctionnalités telles que le filtrage de spin. La jonction tunnel magnétique vdW 2D consiste en une couche magnétique 2D CrI₃ comme barrière de tunnel de filtrage de spin, qui atteint une valeur de TMR jusqu'à 19 000 % [101]. Les progrès dans la fabrication d'hétérostructures basées sur le graphène et d'autres matériaux 2D ont conduit à l'optimisation de la diffusion de spin à longue distance (jusqu'à des dizaines de micromètres), ainsi que du guidage directionnel du courant de spin [13, 64]. La manipulation de spin, le grillage électrique [56], la dérive induite par champ électrique [80], la commutation induite par SOT [95, 96], et l'effet de proximité magnétique [25, 32] ont été explorés pour développer la MRAM de prochaine génération.

Dispositifs spintroniques 2D pour le stockage de mémoire et les applications logiques

De grands efforts ont été faits pour rechercher de nouveaux dispositifs spintroniques 2D. Selon la fonction, les dispositifs spintroniques 2D peuvent être classés comme dispositifs de stockage de mémoire ou logiques. Ici, nous nous concentrons sur plusieurs dispositifs spintroniques 2D importants, y compris la jonction tunnel magnétique 2D (MTJ), le transistor à effet de champ spintronique 2D (sFET), et la porte logique de spin 2D.

MTJ 2D

La découverte du GMR ouvre la porte pour la spintronique 2D. Cependant, le TMR a un rapport magnétorésistance plus fort que le GMR, donc le TMR a un plus grand potentiel dans les applications de stockage magnétique. La structure TMR consiste en deux couches ferromagnétiques et une couche isolante intermédiaire, appelée MTJ. La probabilité de tunnel est liée à la densité d'états près de l'énergie de Fermi dans les couches ferromagnétiques. Lorsque les deux couches magnétiques sont parallèles, la densité d'états similaire pour chaque état de spin peut fournir plus d'états disponibles pour le tunnel, résultant en un état de faible résistance. D'autre part, lorsque les couches sont antiparallèles, un désaccord entre les canaux de spin de la source et du puits résultera en un état de haute résistance. Certains problèmes dans les MTJs à couches minces traditionnelles limitent l'atteinte d'un rapport TMR élevé, tels que la qualité de la barrière isolante et la stabilité thermique [102]. Les matériaux 2D avec un cristal de haute qualité et des interfaces nettes peuvent offrir des voies prometteuses pour résoudre ces problèmes et même atteindre de nouvelles fonctionnalités telles que le filtrage de spin.

Karpan et al. ont exploré pour la première fois les couches de graphène comme barrière dans les MTJs verticaux par des moyens computationnels en 2007 [103]. Ils ont proposé une correspondance entre la structure de bande du graphène et celle du nickel, prédisant une grande polarisation de spin proche de 100 %, ce qui peut résulter en un TMR important jusqu'à 500 %. Cependant, les résultats expérimentaux subséquents montrent que les MTJs basés sur le graphène présentent un TMR très faible. Comparé au graphène monocouche ou bicouche, le MTJ peu de couches détient le signal TMR enregistré le plus élevé jusqu'à 31 % dans les MTJs basés sur le graphène [11, 15]. En plus du graphène, certains autres matériaux 2D ont été explorés comme couches de barrière de tunnel, y compris le h-BN isolant et les TMDCs semi-conducteurs [104, 105]. Piquemal-Banci et al. [63] ont fabriqué des jonctions Fe/h-BN/Co où la monocouche h-BN a été cultivée directement sur Fe en utilisant la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), observant de grands signaux de spin de TMR et une polarisation de spin de P ~ 17 %. Les MTJs basés sur MoS₂ ou WSe₂ ont été rapportés avoir seulement quelques pour cent de signal TMR ; une exploration supplémentaire est nécessaire pour atteindre un rapport TMR élevé.

Les matériaux magnétiques 2D émergents présentent de nombreuses propriétés surprenantes. Lorsque les aimantations dans le bicouche CrI₃ sont commutées vers différentes configurations magnétiques (Fig. 7a), le MTJ basé sur CrI₃ présente un TMR géant produit par l'effet de filtrage de spin [101, 106, 107]. Comme démontré dans Fig. 7b, la MTJ vdW 2D consiste en une couche magnétique 2D CrI₃ comme barrière de tunnel de filtrage de spin, du graphène comme électrode de contact, et du h-BN comme couche d'encapsulation pour prévenir la dégradation du dispositif. Le résultat de transport montre que le TMR est amélioré à mesure que l'épaisseur de la couche CrI₃ augmente, et il atteint une valeur de 19 000 % dans le MTJ basé sur CrI₃ à quatre couches à basse température (Fig. 7c) [101]. Subséquemment, le groupe de Xu a également rapporté un TMR ajustable par grille dans une structure MTJ à double grille basée sur CrI₃ à quatre couches. Le TMR peut être modulé de 17 000 à 57 000 % en variant les tensions de grille dans un champ magnétique fixe [108, 109]. De plus, avec quelques couches de Fe₃GeTe₂ servant d'électrodes ferromagnétiques, le TMR dans les hétérostructures Fe₃GeTe₂/h-BN/Fe₃GeTe₂ peut atteindre 160 % à basse température [110]. Plus intéressant, Zhou et al. ont rapporté une investigation théorique d'une hétérojonction VSe₂/MoS₂/VSe₂, où la monocouche VSe₂ agit comme un ferromagnétique à température ambiante, et le grand TMR peut atteindre 846 % à 300 K [111]. D'autre part, la forte conductivité Hall de spin de MoS₂ a le potentiel de commuter l'aimantation de la couche libre VSe₂ par SOT. Par conséquent, ils ont avancé le concept de MTJ vdW SOT avec des opérations de lecture et d'écriture plus rapides, ce qui offre de nouvelles opportunités pour les dispositifs spintroniques 2D.

sFET 2D

Datta et Das ont proposé pour la première fois l'idée du sFET en 1990 [112]. Le sFET consiste en des électrodes ferromagnétiques source et puits, et un canal de gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) qui peut être contrôlé par une grille électrique. La tension de grille peut entraîner une précession de spin et, par conséquent, un changement dans la polarisation de spin du courant sur le canal. Puisque la commutation du courant à travers le dispositif nécessite seulement peu d'énergie et un court temps, le sFET est attendu être un dispositif spintronique 2D avec une faible consommation d'énergie et une vitesse de calcul élevée.

Comme mentionné dans la section précédente, le graphène avec une concentration de porteurs élevée et un SOC faible est considéré comme un candidat prometteur comme canal de transport de spin [113]. Michetti et al. [76] ont conçu une structure de transistor à effet de champ à double grille, où le graphène bicouche agit comme canal de transport. L'analyse théorique montre que la précession de spin des porteurs dans le canal de graphène peut être activée et désactivée par l'application d'une tension de grille différentielle. Expérimentalement, Avsar et al. ont rapporté pour la première fois une structure de graphène bicouche à double grille avec h-BN comme couche diélectrique, où la propagation du courant de spin dans le canal de graphène bicouche peut être contrôlée en exerçant un champ électrique vertical [114]. Les résultats de transport montrent que le temps de relaxation de spin diminue monotoniquement à mesure que la concentration de porteurs augmente, et le signal de spin présente une diminution rapide, devenant éventuellement indétectable près du point de neutralité de charge. Un dispositif spintronique à effet de champ approprié nécessite un rapport de commutation clair, ce qui est un défi pour le graphène.

Pour résoudre ce problème, une hétérostructure graphène/MoS₂ a été développée pour réaliser un commutateur spintronique à effet de champ via l'application d'une tension de grille. Deux groupes indépendants ont démontré que la tension de grille appliquée peut changer la conductivité du MoS₂ et résulter en une absorption de spin pendant le transport de spin, ce qui donne lieu à la commutation du courant de spin entre les états ON et OFF dans le canal de graphène [89]. En raison de la faible efficacité d'injection de spin et de la relaxation de spin rapide dans les canaux, il est un défi d'atteindre un rapport de conductance haut-bas important dans le dispositif sFET 2D. Cependant, la découverte de cristaux magnétiques 2D fournit de nouvelles opportunités pour explorer de nouveaux dispositifs spintroniques 2D. Le groupe de Kin Fai Mak a rapporté un transistor à effet de champ tunnel de spin (sTFET) basé sur une hétérostructure graphène/CrI₃/graphène à double grille [115]. En utilisant le bicouche CrI₃ comme barrière de tunnel magnétique, la tension de grille appliquée peut commuter les configurations d'aimantation du bicouche CrI₃ de l'antiferromagnétique interlayer au ferromagnétique sous un champ magnétique constant près de la transition de renversement de spin. Distinct des transistors de spin conventionnels, ces dispositifs reposent sur le contrôle électrique de la commutation de configuration d'aimantation plutôt que sur le signal de courant de spin dans le canal. Cette technique permet aux dispositifs sTFET d'atteindre un rapport de conductance haut-bas important approchant 400 %, ce qui fournit une nouvelle approche pour explorer les applications de mémoire.

Porte logique de spin 2D

Dery et Sham ont rapporté pour la première fois un dispositif logique de spin basé sur une porte "ou exclusif" (XOR) [116]. La structure de porte logique XOR inclut un canal semi-conducteur et trois terminaux ferromagnétiques. Une opération logique XOR peut être implémentée par différentes accumulations de spin, qui sont causées par différentes configurations d'aimantation des terminaux d'entrée [117]. Expérimentalement, la porte logique XOR à trois terminaux proposée a réalisé des opérations logiques dans un dispositif spintronique de graphène à température ambiante [117,118,119]. Comme montré dans Fig. 7c, le dispositif inclut du graphène monocouche comme canal, et trois terminaux ferromagnétiques composés d'électrodes Co A, B, et M avec des barrières de tunnel MgO. L'aimantation des électrodes A et B représente les états d'entrée 0 ou 1, et le courant de l'électrode M agit comme l'état de sortie. Les aimantations des électrodes d'entrée A et B seront commutées en variant un champ magnétique externe appliqué, ce qui résulte en une accumulation de spin différente dans l'électrode M, correspondant à un courant de sortie différent. Si les électrodes d'entrée A et B ont des contributions identiques à l'électrode de sortie M, alors le courant dans le terminal ferromagnétique de sortie a une valeur détectable seulement lorsque les aimantations des terminaux ferromagnétiques d'entrée sont antiparallèles (01 ou 10). Lorsque les aimantations des terminaux ferromagnétiques d'entrée sont parallèles (00 ou 11), le courant de sortie est presque nul. Par conséquent, l'opération logique XOR peut être réalisée (Fig. 7d).

Dery et al. ont conçu davantage une porte magnétologique reconfigurable à structure à cinq terminaux combinant deux portes XOR-XOR (A, X) et XOR (B, Y) avec un terminal de sortie partagé, M [119]. Similaire à la porte logique XOR à trois terminaux, les différentes configurations magnétiques des électrodes d'entrée donnent lieu à différentes accumulations de spin dans le terminal de sortie M, ce qui résulte en différents signaux de sortie. Par analogie, un nombre fini de ces portes XOR peut être utilisé pour implémenter toute fonction logique binaire. Subséquemment, d'autres groupes ont étendu cette conception théorique à des études expérimentales en construisant des portes logiques de spin de graphène [120,121,122]. Divers modélisations, simulations et explorations expérimentales de portes logiques de spin 2D ont aidé à accélérer les progrès vers la construction d'applications logiques de spin pratiques. Cependant, deux problèmes clés restent dans la recherche des portes logiques de spin de graphène. Le premier est d'équilibrer les contributions de deux terminaux d'entrée vers le terminal de sortie. L'autre est d'éliminer l'influence des signaux de fond sur la sortie.

Défis et opportunités dans la spintronique 2D

Comme discuté ci-dessus, beaucoup de recherches théoriques et expérimentales ont été menées pour explorer la spintronique basée sur les matériaux 2D, et des progrès considérables ont été réalisés [15, 123, 124]. Cependant, de grands défis doivent encore être relevés pour l'application pratique de la mémoire 2D et des applications logiques. Nous discutons maintenant trois de ces défis : mécanismes physiques, science des matériaux, et ingénierie des dispositifs.

Mécanismes physiques

En raison de la complexité des expériences, la recherche théorique proposée et les résultats expérimentaux ont généralement de grandes divergences. Par exemple, basé sur le mécanisme de relaxation de spin, la théorie a prédit que la durée de vie de spin pour le graphène pur serait jusqu'à 1 μs, alors que les valeurs expérimentales varient de dizaines de picosecondes à quelques nanosecondes [14, 57, 103]. De plus, l'efficacité d'injection de spin du graphène mesurée expérimentalement varie de quelques pour cent à 10 %, ce qui est bien plus petit que la valeur de prédiction théorique de 60-80 % [125]. Ces différences indiquent que des mécanismes physiques plus approfondis et des modèles théoriques précis doivent être proposés et développés pour mieux guider la direction de la recherche et analyser les résultats expérimentaux.

Science des matériaux

Les matériaux 2D fournissent une plateforme idéale pour construire diverses hétérostructures pour les applications spintroniques. Cependant, il y a encore de nombreux problèmes majeurs dans les matériaux 2D. Par exemple, la stabilité est un grand défi pour les matériaux 2D. La plupart des matériaux 2D d'épaisseur proche du niveau atomique sont sensibles à l'humidité, l'oxygénation et la température, surtout les matériaux magnétiques 2D récemment émergents, qui doivent être exfoliés dans une boîte à gants avec une teneur en eau et oxygène ultra-faible. En plus de cela, la plupart des aimants 2D actuellement disponibles reposent sur l'exfoliation mécanique, et leur température de transition magnétique basse est bien en dessous de la température ambiante. Ce sont des limitations significatives car la stabilité dans l'air, la synthèse pratique à l'échelle wafer, et le fonctionnement au-dessus de la température ambiante sont des prérequis pour les matériaux 2D utilisés dans les applications pratiques.

Ingénierie des dispositifs

Opportunités

La spintronique 2D est un domaine de recherche scientifique important avec de nombreuses applications potentielles pour les technologies futures. Comme mentionné ci-dessus, des défis considérables restent actuellement, mais il y a aussi de nombreuses opportunités. Les vannes de spin basées sur le graphène comme canal de transport de spin peuvent présenter une longue longueur de diffusion de spin jusqu'à 30 mm à température ambiante [13]. Les jonctions tunnel magnétiques avec CrI₃ à quatre couches comme barrières de tunnel de filtrage de spin montrent un TMR géant jusqu'à 19 000 % à basses températures [101]. La température de transition magnétique de Fe₃GeTe₂ peut atteindre au-dessus de la température ambiante via une grille de liquide ionique ou lorsqu'elle est adaptée par un TI [99, 126]. Un courant polarisé en spin peut être injecté depuis WTe₂ dans des substrats magnétiques par commutation SOT [127]. De nouveaux concepts de transistors à effet de champ tunnel de spin basés sur les aimants 2D CrI₃ ont été proposés également. La démonstration de TMR géant, le contrôle efficace de la tension du magnétisme 2D, et la commutation d'aimantation dans les aimants 2D par STT ou SOT ouvrent toutes des opportunités pour les dispositifs spintroniques de prochaine génération potentiels basés sur des cristaux vdW atomiquement minces [21, 100].

Conclusion

L'étude des propriétés magnétiques des matériaux 2D est d'une grande importance pour le développement de la spintronique 2D. L'interaction magnétique dans le graphène et les TIs a été peu explorée, et les aimants 2D récemment découverts fournissent également une plateforme idéale pour étudier le magnétisme 2D. De grands progrès ont été faits dans la spintronique 2D ces dernières décennies, surtout dans la spintronique du graphène. Cependant, l'origine de la relaxation de spin dans le graphène reste une question ouverte majeure, et l'amélioration supplémentaire de la durée de vie de spin et de la longueur de diffusion de spin reste une direction de recherche importante pour les dispositifs spintroniques basés sur le graphène. L'application pratique des dispositifs spintroniques 2D nécessite encore de relever de grands défis, y compris les mécanismes physiques liés, la science des matériaux, et l'ingénierie des dispositifs. Le développement de la technologie, l'amélioration des modèles théoriques, et l'exploration de nouveaux matériaux fournissent tous plus d'opportunités pour les applications de dispositifs spintroniques 2D de nouvelle génération dans le futur.