Avances pioneros en espintrónica bidimensional: investigación de vanguardia y horizontes futuros

Resumen

La espintrónica es la tecnología más prometedora para desarrollar dispositivos electrónicos multifuncionales, de alta velocidad y bajo consumo. Gracias a sus características físicas inusuales, los materiales bidimensionales (2D) emergentes proporcionan una nueva plataforma para explorar dispositivos espintrónicos novedosos. Recientemente, la espintrónica 2D ha progresado enormemente en investigación teórica y experimental. Aquí se revisa dicho progreso, señalando retos actuales y oportunidades futuras.

Introducción

Con el descubrimiento del efecto magnetorresistencia gigante (GMR), la espintrónica se convirtió en campo atractivo, usando el grado de libertad de espín del electrón como portador de información para almacenamiento y operaciones lógicas. Frente a dispositivos microelectrónicos basados en carga, los espintrónicos requieren menos energía para conmutar estados de espín, logrando mayor velocidad y menor consumo. Por tanto, la espintrónica es la tecnología más prometedora para dispositivos alternativos multifuncionales, rápidos y de bajo consumo. Aunque la memoria STT-MRAM se produce comercialmente, persisten retos técnicos: generación e inyección eficiente de portadores polarizados en espín, transmisión de espín a larga distancia, y manipulación y detección de la dirección del espín.

En paralelo al auge de la espintrónica, los materiales de van der Waals (vdW) 2D están en la frontera de la investigación desde el aislamiento del grafeno. Distintos de sus homólogos masivos, los materiales vdW 2D exhiben fenómenos físicos novedosos. Algunos ya muestran gran potencial para dispositivos espintrónicos 2D de próxima generación. Por ejemplo, el grafeno presenta alta movilidad electrón/hueco, larga vida del espín y longitud de difusión, siendo candidato prometedor para canal de espín. Sin embargo, su brecha cero y débil acoplamiento espín-órbita (SOC) limitan interruptores basados en grafeno. En contraste, los dicalcógenidos de metales de transición 2D (TMDCs) tienen brechas variables, fuerte SOC y acoplamiento espín-valle único, permitiendo manipular espín y valle para almacenamiento no volátil. Los aislantes topológicos (TIs) con estados de superficie topológicamente protegidos tienen fuerte interacción espín-órbita para lograr bloqueo espín-momento, suprimiendo dispersión y mejorando eficiencia de conversión espín-carga. Los imanes 2D emergentes con estados magnéticos intrínsecos hasta espesores atómicos abren nuevas vías para aplicaciones espintrónicas 2D novedosas.

Con el desarrollo de la espintrónica 2D, es necesario revisar los últimos trabajos teóricos y experimentales. Este artículo revisa el progreso, discute retos y oportunidades. La primera sección cubre magnetismo en materiales 2D: momentos magnéticos inducidos en grafeno, TIs y otros 2D por dopaje o efecto proximidad, e imanes 2D intrínsecos. La segunda presenta tres funcionalidades elementales para operación de dispositivos espintrónicos 2D: conversión espín-carga, transporte de espín y manipulación de espín en materiales 2D e interfaces. La tercera reseña aplicaciones. La cuarta introduce dispositivos espintrónicos 2D potenciales para memoria y lógica. La última discute retos y oportunidades para aplicaciones prácticas.

Magnetismo en materiales 2D

El magnetismo es crucial en tecnologías de almacenamiento. La mayoría de materiales 2D como grafeno no son intrínsecamente magnéticos. Dos métodos hacen magnéticos a materiales no magnéticos: generar polarización de espín introduciendo vacantes o adátomos, o introducir magnetismo vía efecto proximidad magnética con materiales magnéticos adyacentes. Los cristales vdW magnéticos 2D descubiertos recientemente tienen estados fundamentales magnéticos a escala atómica, ofreciendo oportunidades sin precedentes en espintrónica.

Momentos magnéticos inducidos en grafeno

El grafeno prístino es fuertemente diamagnético; numerosos estudios teóricos y experimentales exploran su magnetismo. Introducir vacantes e hidrógeno o flúor induce momentos magnéticos. El grupo de Kawakami dopó grafeno con adátomos de hidrógeno y detectó corriente de espín pura por transporte no local, demostrando formación de momentos magnéticos. El dip característico a campo magnético cero en medición de transporte no local muestra dispersión de corriente de espín pura por acoplamiento de intercambio entre electrones de conducción y momentos magnéticos inducidos por hidrógeno. Además, grafeno con adátomos de flúor y defectos de vacancia tiene momentos paramagnéticos medibles por SQUID. No obstante, lograr orden ferromagnético de largo alcance en grafeno dopado sigue siendo un reto abrumador. Algunos proponen usar efecto proximidad magnética: cuando grafeno adyacente a un aislante magnético, los orbitales π del grafeno y orbitales d polarizados en espín del aislante tienen interacción de intercambio generando acoplamiento ferromagnético de largo alcance. En heteroestructura grafeno/granate de hierro-itrio (YIG), la señal del efecto Hall anómalo persiste hasta 250 K.

Momentos magnéticos inducidos en TIs

Los materiales 2D son susceptibles a condiciones ambientales (humedad, oxígeno). El estado de superficie conductor en TIs se considera más estable. Además, el estado de superficie exhibe bloqueo espín-momento, permitiendo manipular señal de espín vía dirección de corriente de carga. Romper la simetría de inversión temporal por dopaje de átomos magnéticos o efecto proximidad magnética da fenómenos exóticos como efecto Hall anómalo cuántico (QAHE). Chang et al. observaron QAHE en TI magnético dopado con Cr. Ajustando el nivel de Fermi de bandas TI inducidas magnéticamente, se observa meseta de conductancia Hall de e²/h. La resistencia Hall anómala controlable por compuerta alcanza valor cuantizado h/e² a campo magnético cero. Sin embargo, la dispersión de espín de átomos magnéticos dopados limita orden magnético robusto en superficie del TI. La proximidad magnética entre TIs y materiales magnéticos evita dopaje/defectos, logrando orden ferromagnético de largo alcance por acoplamiento de intercambio interfacial. La reflectometría de neutrones polarizados (PNR) estudió magnetismo interfacial en heteroestructura Bi₂Se₃/EuS, mostrando orden ferromagnético en la interfaz que persiste hasta temperatura ambiente. Realizar estado de superficie ferromagnético en TI permitiría fenómenos prominentes como efecto magnetoeléctrico interfacial y monopolo magnético imagen inducido por campo eléctrico.

Magnetismo inducido en otros materiales 2D

Además de grafeno y TIs, el magnetismo inducido por defectos intrínsecos y dopantes en otros materiales 2D se ha investigado: fosforeno, siliceno, GaSe, GaN, ZnO, etc. Cálculos de primeros principios mostraron que interacción entre vacancia y tensión externa puede dar magnetismo en fosforeno. Cuando la tensión es dirección zigzag y vacancias de P alcanzan 4%, el sistema exhibe estado polarizado en espín con momento ~1 μB por sitio de vacancia. Cálculos también predicen que dopaje hueco induce transición ferromagnética en GaSe y GaS, por división de intercambio de estados electrónicos en tope de banda de valencia; momento magnético hasta 1,0 μB por portador. Sin embargo, la mayoría son cálculos teóricos; se necesitan estudios experimentales para entender comportamientos magnéticos y explorar semiconductores ferromagnéticos 2D robustos a temperatura ambiente.

Imanes 2D intrínsecos

Recientemente, otro miembro de la familia vdW 2D, el imán 2D, se obtuvo experimentalmente. Este avance atrajo atención extensa. El grupo de Xu reportó que CrI₃ hasta monocapa exhibe ferromagnetismo Ising con fuerte anisotropía magnética fuera del plano por efecto Kerr magneto-óptico (MOKE). Además, CrI₃ muestra fase magnética dependiente de capas: monocapa y tricapa ferromagnéticas, bicapa antiferromagnética. Gong et al. reportaron Cr₂Ge₂Te₆ con orden ferromagnético intrínseco de largo alcance en capas atómicas; es ferromagneto Heisenberg 2D con pequeña anisotropía. La temperatura de transición ferromagnética de Cr₂Ge₂Te₆ depende del número de capas. Otro ferromagneto 2D popular es Fe₃GeTe₂, metal ferromagnético vdW compuesto por capas Fe/FeGe/Fe entre dos capas de Te. El efecto Hall anómalo muestra anisotropía magnética fuerte con dirección de imantación fácil paralela al eje c y temperatura Curie de 230 K. Sin embargo, la temperatura Curie de estos materiales es inferior a temperatura ambiente, gran obstáculo para aplicaciones. Investigadores prepararon monocapas ferromagnéticas 1T-VSe₂ a temperatura ambiente por epitaxia de haz molecular (MBE). El 1T-CrTe₂ de pocas capas exhibió temperatura Curie de 316 K, posibilitando aplicaciones futuras. Además de ferromagnetos 2D, antiferromagnetos 2D son ampliamente reportados: FePS₃, MnPS₃, CrCl₃. Sorprendentemente, el equipo de Zhang Yuanbo reportó QAHE inducido por campo magnético en aislante topológico magnético intrínseco MnBi₂Te₄. MnBi₂Te₄ es antiferromagneto con ferromagnetismo intracapa y antiferromagnetismo intercapa. Por transporte cuántico, se observó cuantización exacta del efecto Hall anómalo en copo prístino de cinco capas a campo moderado >6 T a baja temperatura.

Funcionalidades elementales de operación de dispositivos espintrónicos 2D

Los avances en materiales 2D emergentes y técnicas de caracterización avanzadas han permitido desarrollo rápido de espintrónica 2D. Los temas clave para dispositivos espintrónicos son conversión espín-carga, transporte de espín y manipulación de espín. La generación y detección eficiente de corriente de espín es el mayor reto para desarrollar dispositivos 2D que reemplacen a los eléctricos. El transporte de espín desea canal adecuado con larga vida y propagación de espín a larga distancia. La manipulación de espín controla la corriente de espín y logra funcionalidad del dispositivo.

Conversión espín-carga

Muchos métodos logran conversión espín-carga: inyección/detección eléctrica de espín, o usando efecto Hall de espín y efectos Edelstein, originados en SOC. Sin embargo, el efecto Hall de espín suele ocurrir en materiales masivos, mientras el efecto Edelstein se considera efecto interfacial.

Medidas "no locales" y "locales" se usan comúnmente para inyección/detección eléctrica de espín en material canal. En medida no local, electrodo E2 es metal ferromagnético inyector, E3 detector ferromagnético. Corriente aplicada fluye E1→E2; E3 y E4 detectan corriente de espín pura difundida. La polaridad del voltaje medido entre E3 y E4 depende de configuraciones de imantación de E2 y E3. Este método obtiene corriente de espín pura sin corriente de carga, mientras medidas "locales" obtienen señal mixta. La diferencia de voltaje entre alineamientos paralelos y antiparalelos de E2 y E3 es la señal de transporte de espín.

Hill et al. inyectaron espín en grafeno usando electrodos NiFe blandos, pero eficiencia ~10%, atribuible a desajuste de conductancia entre metal ferromagnético y grafeno. Algunos propusieron barrera aislante (Al₂O₃, MgO) para sintonizar resistividad interfacial dependiente del espín y mejorar eficiencia, pero crecer capa de óxido de alta calidad es reto mayor. Métodos para mejorar crecimiento de óxido o cambiar a otro óxido interfacial (TiO₂, HfO₂) se han usado, pero la resistividad interfacial dependiente del espín sigue siendo problema fundamental. Un material aislante 2D, nitruro de boro hexagonal (h-BN), tiene estructura cristalina similar al grafeno. Estudios teóricos y experimentales muestran que usar h-BN como barrera de túnel produce interfaz de alta calidad y mejora enormemente eficiencia de inyección de espín en grafeno. h-BN de pocas capas exhibe mejor rendimiento que monocapa. No obstante, queda gran brecha antes de aplicación práctica. Finalmente, para lograr inyección perfecta (100%) se requiere mucha investigación; los materiales 2D dirección prometedora, como heteroestructuras 2D compuestas de materiales ferromagnéticos 2D, barreras de túnel 2D y canales de transporte 2D.

El efecto Rashba-Edelstein (inverso) es efecto interfacial originado en SOC fuerte, usable para conversión espín-carga. Aunque grafeno intrínseco tiene SOC débil, puede lograr conversión eficiente usando SOC fuerte de material adyacente vía efecto proximidad. Cuando grafeno adyacente a aislante ferromagnético YIG, corriente de espín se genera en YIG por bombeo de espín, luego se convierte a corriente de carga en grafeno por efecto Edelstein inverso. Las curvas de voltaje de bombeo de espín en función del campo en dispositivo YIG/grafeno muestran voltajes detectables en campo perpendicular al canal; al girar campo paralelo al canal, no hay voltaje. Además, compuerta de líquido iónico en superficie de grafeno modula propiedades y cambia eficiencia de conversión espín-carga de YIG/grafeno.

A diferencia del grafeno, TMDCs con SOC fuerte son materiales prometedores para conversión espín-carga. Un gran par espín-órbita (SOT) en bicapa monocapa TMDC (MoS₂ o WSe₂)/CoFeB se generó por acumulación de espín inducida por corriente causada por efecto Rashba-Edelstein. El par tipo campo y tipo amortiguamiento se determinó por medición de segundo armónico; resultados muestran que TMDCs monocapa de gran área tienen aplicaciones potenciales por alta eficiencia en inversión de imantación. Además, la técnica de resonancia ferromagnética de par espín (ST-FMR) investiga conversión espín-carga en TMDCs. Por ejemplo, resultado ST-FMR muestra SOT controlable mediante simetría cristalina de WTe₂ en bilayers WTe₂/Permalloy. Cuando corriente se aplica junto a eje de baja simetría de WTe₂, se genera par anti-amortiguamiento fuera del plano. La propiedad de bloqueo espín-momento en estados de superficie de TIs es útil para inyectar corriente de espín en materiales adyacentes vía SOT. Debido a fuerte correlación entre dirección de polarización de espín y dirección de corriente de carga, la dirección del espín puede manipularse por corriente de carga en TIs. Diversas técnicas de medición (segundo armónico, bombeo de espín, ST-FMR) demuestran generación eficiente de SOT en materiales 2D como TMDCs y TIs.

Transporte de espín

La clave del transporte de espín es obtener canal favorable con larga longitud de difusión y tiempo de relajación de espín. La relajación de espín es causada por dispersión de momento, por lo que grafeno con SOC débil se considera material ideal para transporte de espín. Tombros et al. realizaron transporte electrónico de espín y precesión en válvula de espín lateral de grafeno monocapa a temperatura ambiente por medida no local en 2007. La válvula tiene cuatro terminales de cobalto ferromagnético, capa delgada Al₂O₃ como barrera, y grafeno como canal. La señal muestra: si electrodos ferromagnéticos para inyección y detección tienen imantaciones paralelas, resistencia no local medida por contactos 1 y 2 es positiva; si antiparalelas, resistencia es negativa. La precesión de Hanle determina longitud de difusión y vida de espín: τ_sf=125 ps, λ_sf=1,3 µm a temperatura ambiente. Además, la compuerta puede mejorar longitud de relajación y vida de espín. Teoría predice vida de espín en grafeno prístino hasta 1 µs, mientras valores experimentales van de picosegundos a pocos nanosegundos.

Muchos métodos mejorados aumentan longitud de difusión y vida de espín; algunos dispositivos ya exhiben longitudes de difusión en rango micrómetro. Por ejemplo, grafeno epitaxial en SiC tiene alta movilidad, eficiencia de transporte de espín hasta 75% y longitud de difusión >100 µm. Heteroestructura h-BN/grafeno/h-BN exhibe transporte de espín a larga distancia, con longitud de difusión 30,5 µm a temperatura ambiente. El transporte en 2D puede ser afectado por difusión/deriva, modulable por campo eléctrico. Ingla-Aynés et al. reportaron longitud de relajación hasta 90 µm en grafeno bicapa encapsulado en h-BN usando deriva de portadores. Sin embargo, SOC débil y brecha cero en grafeno intrínseco restringen perspectivas para dispositivos espintrónicos semiconductores. El fósforo negro tiene brecha directa considerable y movilidad a temperatura ambiente 1000 cm² V⁻¹ s⁻¹, ideal para material espintrónico semiconductor. Avsar et al. construyeron válvula de espín lateral basada en lámina ultrafina de fósforo negro y midieron propiedades de transporte a temperatura ambiente via geometría no local. El transporte electrónico muestra cambio de resistencia no local ΔR≈15 Ω al conmutar direcciones de imantación de ferromagnetos. La precesión de Hanle muestra tiempos de relajación hasta 4 ns y longitudes >6 µm. El transporte en fósforo negro está estrechamente relacionado con concentración de portadores, por lo que la señal de espín puede controlarse aplicando campo eléctrico.

Manipulación de espín

Lograr manipulación de espín es clave para funcionalización efectiva de dispositivos. Aplicar voltaje de compuerta controla concentración de portadores, usándose para manipular señales de espín. Varios materiales 2D como canales se han investigado para ajustar parámetros de transporte de espín vía voltaje de compuerta. Por ejemplo, grafeno con sesgo alcanza polarización de inyección/detección de espín hasta 100% en heteroestructura ferromagnet/h-BN bicapa/grafeno/h-BN. Una válvula de espín controlable por compuerta basada en fósforo negro alcanza tiempo de relajación en rango nanosegundo y larga longitud de relajación. Para canal MoS₂ semiconductor, aplicar voltaje de compuerta aún da longitud de difusión de espín >200 nm. Sin embargo, un dispositivo efecto campo de espín adecuado requiere ratio de conmutación claro, reto para grafeno e incluso semiconductores 2D.

Para resolver esto, se desarrolló heteroestructura vdW basada en grafeno atómicamente delgado y MoS₂ semiconductor para lograr interruptor efecto campo de espín via voltaje de compuerta. En esta estructura, se combinan propiedades superiores de transporte de espín del grafeno y SOC fuerte de MoS₂. El voltaje de compuerta cambia conductividad de MoS₂ y absorción de espín durante transporte, resultando en conmutación de corriente de espín entre estados ON/OFF en canal de grafeno. Otro grupo reportó similar control eléctrico de corriente de espín y vida en heteroestructura grafeno/MoS₂ a temperatura ambiente, señalando que el mecanismo proviene de sintonía de barrera Schottky en interfaz MoS₂/grafeno y conductividad de canal MoS₂.

El SOT inducido por corriente se considera otra estrategia eficiente para manipular espín. La corriente de espín, generada por efecto Hall de espín en metales pesados o efecto Rashba en interfaces, puede ejercer par de espín en ferromagnetos y realizar conmutación de imantación. La conmutación eficiente de imantación inducida por SOT puede llevar a aplicaciones espintrónicas innovadoras. Debido a SOC fuerte y ruptura de simetría de inversión temporal, TIs dopados magnéticamente son materiales prometedores para manipular señales de espín vía SOT. El grupo de Wang demostró experimentalmente conmutación de imantación inducida por corriente en plano en bicapa epitaxial de TI dopado con Cr (Bi₀.₅Sb₀.₅)₂Te₃/(Cr₀.₀₈Bi₀.₅₄Sb₀.₃₈)₂Te₃. El ángulo Hall de espín en película TI dopada con Cr (140-425) es casi tres órdenes de magnitud mayor que en heteroestructuras metal pesado/ferromagnético, y densidad crítica de corriente de conmutación <8,9×10⁴ A cm⁻² a 1,9 K. Además, reportaron control efectivo de SOT por campo eléctrico en película delgada de (Bi₀.₅Sb₀.₄₂)₂Te₃ dopada con Cr epitaxial en sustrato GaAs. El efecto de compuerta en conmutación de imantación se investigó barrido voltaje de compuerta bajo corriente constante y campo magnético en plano. La intensidad SOT depende fuertemente de corriente de superficie polarizada en espín en película delgada, modulable en rango de voltaje de compuerta adecuado. El control efectivo de SOT en estructuras magnéticas basadas en TI tiene aplicaciones potenciales en memoria y lógica magnéticas.

Además, control eléctrico de imanes 2D emergentes se ha investigado. Por ejemplo, usando campos eléctricos o dopaje electrostático se logra conversión magnética de bicapa CrI₃ antiferromagnética a ferromagnética. La coercividad y campo de saturación de Cr₂Ge₂Te₆ de pocas capas pueden modularse via compuerta de líquido iónico. En contraste a semiconductor magnético, dopaje electrostático controla concentraciones de portadores en metal ferromagnético, y temperatura de transición ferromagnética de Fe₃GeTe₂ puede elevarse drásticamente a temperatura ambiente via compuerta iónica. La aparición e investigación de imanes 2D proporciona nueva plataforma para dispositivos espintrónicos 2D de próxima generación.

Aplicaciones de la espintrónica 2D

Los materiales 2D exhiben gran potencial para ingeniería de dispositivos espintrónicos 2D de próxima generación. Grafeno con alta movilidad, larga vida de espín y longitudes de difusión es candidato prometedor para canal de espín. Además, grafeno puede ganar magnetismo por adátomos o efecto proximidad magnética. La densidad de portadores en grafeno ferromagnético inducido por proximidad puede modularse por compuerta, permitiendo observar dependencia de conductividad Hall anómala con energía Fermi. Esto ayuda a entender origen físico del efecto Hall anómalo en sistemas fermiónicos Dirac 2D. Realizar estado de superficie ferromagnético en TI permitiría fenómenos prominentes como efecto magnetoeléctrico interfacial y monopolo magnético imagen inducido por campo eléctrico. Sin embargo, tecnología actual de inducir magnetismo en TI se limita a bajas temperaturas, restringiendo potencial de aplicaciones. Requisito clave es generar ferromagnetismo a temperatura ambiente en TI. Resultado PNR muestra que bicapa Bi₂Se₃/EuS tiene orden ferromagnético en interfaz, y este ferromagnetismo interfacial topológicamente mejorado persiste hasta temperatura ambiente. La respuesta magnetoeléctrica topológica en tal TI ingenierado permitiría manipulación eficiente de dinámica de imantación por campo eléctrico, proporcionando mecanismo de control topológico eficiente energéticamente para futuras tecnologías basadas en espín.

Los efectos STT y magnetorresistencia de túnel (TMR) ofrecen enfoques alternativos para operaciones de escritura y lectura. STT se refiere a reorientación de imantación de materiales ferromagnéticos vía transferencia de momento angular de espín. La conmutación eficiente de imantación inducida por corriente via SOT puede llevar a aplicaciones espintrónicas innovadoras. Debido a SOC fuerte y ruptura de simetría de inversión temporal, TIs dopados magnéticamente son prometedores para manipular señales de espín vía SOT. TMR se refiere a comportamiento magnetorresistivo dependiente de imantación. Un alto ratio TMR es clave para dispositivos espintrónicos con mayor sensibilidad y menor consumo. Materiales 2D con cristal de alta calidad e interfaces nítidas pueden lograr nuevas funcionalidades como filtrado de espín. La unión de túnel magnética (MTJ) vdW 2D consiste en capa magnética 2D CrI₃ como barrera de túnel de filtrado de espín, alcanzando TMR hasta 19 000%. El progreso en fabricación de heteroestructuras basadas en grafeno y otros 2D ha llevado a optimización de difusión de espín a larga distancia (hasta decenas de micrómetros) y guiado direccional de corriente de espín. Manipulación de espín, compuerta eléctrica, deriva inducida por campo eléctrico, conmutación inducida por SOT y efecto proximidad magnética se han explorado para desarrollar MRAM de próxima generación.

Dispositivos espintrónicos 2D para memoria y aplicaciones lógicas

Grandes esfuerzos buscan nuevos dispositivos espintrónicos 2D. Según función, se clasifican en memoria o lógica. Aquí nos centramos en varios importantes: unión de túnel magnética 2D (MTJ), transistor efecto campo de espín 2D (sFET) y compuerta lógica de espín 2D.

MTJ 2D

El descubrimiento del GMR abrió la puerta a la espintrónica 2D. Sin embargo, TMR tiene ratio magnetorresistivo mayor que GMR, por lo que TMR tiene mayor potencial en almacenamiento magnético. La estructura TMR consiste en dos capas ferromagnéticas y capa aislante intermedia (MTJ). La probabilidad de túnel se relaciona con densidad de estados cerca de energía Fermi en capas ferromagnéticas. Cuando capas magnéticas son paralelas, densidad de estados similar para cada estado de espín proporciona más estados disponibles para túnel, resultando en estado de baja resistencia. Cuando son antiparalelas, desajuste entre canales de espín de fuente y sumidero resulta en estado de alta resistencia. Algunos problemas en MTJs de película delgada tradicional limitan alto ratio TMR: calidad de barrera aislante y estabilidad térmica. Materiales 2D con cristal de alta calidad e interfaces nítidas pueden abordar estos problemas y lograr nuevas funcionalidades como filtrado de espín.

Karpan et al. exploraron capas de grafeno como barrera en MTJ vertical por medios computacionales en 2007. Propusieron coincidencia entre estructura de bandas de grafeno y níquel, prediciendo gran polarización de espín ~100%, resultando en TMR grande hasta 500%. Sin embargo, resultados experimentales posteriores muestran MTJs basados en grafeno exhiben TMR muy bajo. Comparado con grafeno monocapa o bicapa, MTJ de pocas capas tiene TMR más alto registrado hasta 31% en MTJs basados en grafeno. Además de grafeno, otros materiales 2D se han explorado como capas barrera de túnel: h-BN aislante y TMDCs semiconductores. Piquemal-Banci et al. fabricaron uniones Fe/h-BN/Co donde monocapa h-BN creció directamente en Fe por CVD, observando grandes señales TMR y polarización de espín P~17%. MTJs basados en MoS₂ o WSe₂ reportaron solo pocos por ciento de señal TMR; se necesita más exploración para alto ratio TMR.

Los materiales magnéticos 2D emergentes exhiben propiedades sorprendentes. Cuando imantaciones en bicapa CrI₃ se conmutan a diferentes configuraciones magnéticas, MTJ basado en CrI₃ exhibe TMR gigante por efecto filtrado de espín. La MTJ vdW 2D consiste en capa magnética 2D CrI₃ como barrera de túnel filtrado de espín, grafeno como electrodo contacto, y h-BN como encapsulación para prevenir degradación. Resultado de transporte muestra TMR aumenta con espesor de capa CrI₃, alcanzando 19 000% en MTJ basado en CrI₃ de cuatro capas a baja temperatura. Posteriormente, grupo de Xu reportó TMR controlable por compuerta en estructura MTJ de doble compuerta basada en CrI₃ de cuatro capas; TMR modulable de 17 000 a 57 000% variando voltajes de compuerta en campo magnético fijo. Además, con Fe₃GeTe₂ de pocas capas como electrodos ferromagnéticos, TMR en heteroestructuras Fe₃GeTe₂/h-BN/Fe₃GeTe₂ alcanza 160% a baja temperatura. Más interesante, Zhou et al. investigaron teóricamente heterounión VSe₂/MoS₂/VSe₂, donde monocapa VSe₂ actúa como ferromagneto a temperatura ambiente, y TMR grande alcanza 846% a 300 K. Por otro lado, fuerte conductividad Hall de espín de MoS₂ tiene potencial para conmutar imantación de capa libre VSe₂ por SOT. Por ello, propusieron concepto de MTJ vdW SOT con operaciones lectura/escritura más rápidas, ofreciendo nuevas oportunidades para dispositivos espintrónicos 2D.

sFET 2D

Datta y Das propusieron sFET en 1990. Consiste en electrodos ferromagnéticos fuente y sumidero, y canal gas electrónico bidimensional (2DEG) controlable por compuerta eléctrica. El voltaje de compuerta resulta en precesión de espín y cambio en polarización de espín de corriente en canal. Como conmutar corriente requiere poca energía y tiempo corto, sFET se espera como dispositivo espintrónico 2D de bajo consumo y alta velocidad.

Como se mencionó, grafeno con alta concentración de portadores y SOC débil es candidato prometedor para canal de transporte de espín. Michetti et al. diseñaron estructura transistor efecto campo de doble compuerta donde grafeno bicapa actúa como canal. Análisis teórico muestra precesión de portadores en canal grafeno puede activarse/desactivarse por voltaje diferencial de compuerta. Experimentalmente, Avsar et al. reportaron primera estructura grafeno bicapa de doble compuerta con h-BN como dieléctrico, donde propagación de corriente de espín en canal grafeno bicapa puede controlarse ejerciendo campo eléctrico vertical. Resultados muestran tiempo de relajación de espín disminuye monótonamente al aumentar concentración de portadores, y señal de espín disminuye rápidamente, volviéndose indetectable cerca del punto de neutralidad de carga. Un dispositivo efecto campo de espín adecuado requiere ratio de conmutación claro, reto para grafeno.

Para resolver esto, se desarrolló heteroestructura grafeno/MoS₂ para lograr interruptor efecto campo de espín via voltaje de compuerta. Dos grupos independientes demostraron que voltaje de compuerta aplicado cambia conductividad de MoS₂ y resulta en absorción de espín durante transporte, dando conmutación de corriente de espín entre ON/OFF en canal grafeno. Debido a baja eficiencia de inyección de espín y relajación rápida en canales, lograr ratio alta conductancia alto/bajo en dispositivo sFET 2D es un reto. Sin embargo, descubrimiento de cristales magnéticos 2D proporciona nuevas oportunidades. Grupo de Kin Fai Mak reportó transistor efecto campo de túnel de espín (sTFET) basado en heteroestructura grafeno/CrI₃/grafeno de doble compuerta. Usando bicapa CrI₃ como barrera de túnel magnética, voltaje de compuerta aplicado conmutación configuraciones de imantación de bicapa CrI₃ de antiferromagnética intercapa a ferromagnética bajo campo magnético constante cerca de transición de inversión de espín. Distintos de transistores de espín convencionales, estos dispositivos dependen de controlar eléctricamente conmutación de configuración de imantación más que señal de corriente de espín en canal. Esta técnica permite dispositivos sTFET alcanzar ratio alta conductancia alto/bajo ~400%, nuevo enfoque para explorar aplicaciones de memoria.

Compuerta lógica de espín 2D

Dery y Sham reportaron primer dispositivo lógico de espín basado en compuerta "exclusive or" (XOR). Estructura XOR incluye canal semiconductor y tres terminales ferromagnéticos. Operación XOR puede implementarse por diferentes acumulaciones de espín causadas por diferentes configuraciones de imantación de terminales de entrada. Experimentalmente, compuerta XOR de tres terminales logró operaciones lógicas en dispositivo espintrónico de grafeno a temperatura ambiente. Dispositivo incluye grafeno monocapa como canal, y tres terminales ferromagnéticos A, B, M de electrodos Co con barreras túnel MgO. La imantación de electrodos A y B representa estados entrada 0 o 1, y corriente de electrodo M actúa como salida. Las imantaciones de electrodos entrada A y B se conmutan variando campo magnético externo aplicado, resultando en diferente acumulación de espín en electrodo M, correspondiente a diferente corriente salida. Si electrodos entrada A y B tienen contribuciones idénticas a salida M, corriente en terminal ferromagnético salida tiene valor detectable solo cuando imantaciones de terminales entrada son antiparalelas (01 o 10). Cuando son paralelas (00 o 11), corriente salida casi cero. Por tanto, operación XOR se logra.

Dery et al. diseñaron compuerta magnetológica reconfigurable de cinco terminales combinando dos compuertas XOR - XOR(A,X) y XOR(B,Y) con terminal salida compartido M. Similar a XOR de tres terminales, diferentes configuraciones magnéticas de electrodos entrada dan diferente acumulación de espín en terminal salida M, resultando en diferentes señales salida. Por analogía, número finito de estas compuertas XOR puede implementar cualquier función lógica binaria. Posteriormente, otros grupos extendieron diseño teórico a estudios experimentales construyendo compuertas lógicas de espín de grafeno. Diversos modelos, simulaciones y exploraciones experimentales de compuertas lógicas de espín 2D han acelerado progreso hacia aplicaciones lógicas de espín prácticas. Sin embargo, dos temas clave permanecen: balancear contribuciones de dos terminales entrada a salida, y eliminar influencia de señales fondo en salida.

Retos y oportunidades en espintrónica 2D

Como se discutió, mucha investigación teórica y experimental se ha llevado a cabo explorando espintrónica basada en materiales 2D, logrando progreso considerable. Sin embargo, grandes retos persisten para aplicaciones prácticas de memoria y lógica 2D. Discutimos tres: mecanismos físicos, ciencia de materiales, ingeniería de dispositivos.

Mecanismos físicos

Debido a complejidad experimental, investigación teórica propuesta y resultados experimentales suelen tener grandes discrepancias. Por ejemplo, basado en mecanismo de relajación de espín, teoría predice vida de espín para grafeno prístino hasta 1 µs, mientras valores experimentales van de decenas de picosegundos a pocos nanosegundos. Además, eficiencia de inyección de espín en grafeno medida experimentalmente varía de pocos por ciento a 10%, muy menor que predicción teórica 60-80%. Estas diferencias indican que se necesitan mecanismos físicos más profundos y modelos teóricos precisos para guiar mejor la investigación y analizar resultados experimentales.

Ciencia de materiales

Materiales 2D proporcionan plataforma ideal para construir heteroestructuras para aplicaciones espintrónicas. Sin embargo, persisten grandes problemas. Por ejemplo, estabilidad es gran reto. La mayoría de materiales 2D de espesor atómico son susceptibles a humedad, oxidación y temperatura, especialmente imanes 2D emergentes, que deben exfoliarse en guante con contenido ultra-bajo de agua y oxígeno. Además, la mayoría de imanes 2D disponibles actualmente dependen de exfoliación mecánica, y su baja temperatura de transición magnética está muy por debajo de temperatura ambiente. Estas son limitaciones significativas porque estabilidad en aire, síntesis a escala de wafer conveniente y operación por encima de temperatura ambiente son prerrequisitos para materiales 2D en aplicaciones prácticas.

Ingeniería de dispositivos

Se han logrado avances en estudio fundamental de espintrónica 2D: eficiencia de inyección de espín mejorada usando barreras túnel 2D h-BN, longitud de difusión de espín hasta 30 µm a temperatura ambiente en heteroestructuras 2D basadas en grafeno, y TMR alto hasta 19 000% usando imanes 2D como barreras filtrado de espín. Basado en estudio de dispositivos espintrónicos 2D, es prometedor desarrollar aplicaciones de dispositivos de bajo consumo, incluyendo memorias magnéticas avanzadas y circuitos lógicos de espín, compatibles con electrónica CMOS existente. Sin embargo, diseño y aplicación de dispositivos espintrónicos 2D funcionales aún están en etapa temprana de predicción teórica y prueba de concepto.

Oportunidades

La espintrónica 2D es campo de investigación científica importante con muchas aplicaciones potenciales para tecnologías futuras. Como se mencionó, quedan retos considerables, pero también muchas oportunidades. Válvulas de espín basadas en grafeno como canal pueden exhibir longitud de difusión hasta 30 µm a temperatura ambiente. Uniones túnel magnéticas con CrI₃ de cuatro capas como barreras túnel filtrado de espín muestran TMR gigante hasta 19 000% a bajas temperaturas. Temperatura de transición magnética de Fe₃GeTe₂ puede alcanzar temperatura ambiente via compuerta de líquido iónico o ajustada por TI. Corriente polarizada en espín puede inyectarse desde WTe₂ en sustratos magnéticos por conmutación SOT. Nuevos conceptos de transistores efecto campo de túnel de espín basados en imanes 2D CrI₃ se han propuesto. La demostración de TMR gigante, control eficiente por voltaje de magnetismo 2D, y conmutación de imantación en imanes 2D por STT o SOT abren oportunidades para dispositivos espintrónicos de próxima generación basados en cristales vdW atómicamente delgados.

Conclusión

El estudio de propiedades magnéticas de materiales 2D es de gran importancia para desarrollo de espintrónica 2D. La interacción magnética en grafeno y TIs se ha explorado escasamente, y imanes 2D descubiertos recientemente proporcionan plataforma ideal para estudiar magnetismo 2D. Gran progreso se ha logrado en espintrónica 2D en décadas recientes, especialmente en espintrónica de grafeno. Sin embargo, origen de relajación de espín en grafeno sigue siendo pregunta abierta mayor, y mejora adicional de vida de espín y longitud de difusión sigue dirección importante para dispositivos espintrónicos basados en grafeno. La aplicación práctica de dispositivos espintrónicos 2D aún requiere enfrentar grandes retos: mecanismos físicos relacionados, ciencia de materiales, ingeniería de dispositivos. Desarrollo tecnológico, mejora de modelos teóricos y exploración de nuevos materiales proporcionan más oportunidades para aplicaciones de dispositivos espintrónicos 2D de nueva generación en el futuro.