原始磁性材料和邻近感应磁性材料中的自旋极化带是未来设备的有前途的构建模块。从概念上讲，新的存储器、逻辑和神经形态设备是基于原子级薄磁性材料以及通过电学和光学方法操纵其自旋极化带而构想出来的。剩下的一个关键问题是范德华异质结构中磁耦合效应的直接探测和优化使用，这需要对原子薄磁性材料和器件进行进一步精细设计。在这里，我们报告了一种在反应性反铁磁材料 CrI 3上具有磁化单层石墨烯的自旋选择性薄膜晶体管。石墨烯和CrI 3原子层之间的自旋相关杂化使得单层石墨烯中的自旋选择性带隙打开以及特定CrI 3层中磁化的电场控制成为可能。我们的第一性原理计算和运输数据的理论分析阐明了微观工作原理。我们通过电气手段对磁邻近效应进行微妙的操纵，实现了可靠的记忆晶体管操作（即存储器和逻辑器件组合操作）以及磁化石墨烯中朗道能级的自旋选择性探针。
图1. CrI 3上石墨烯中的自旋相关带杂交。
a) 基于 1L-石墨烯/6L-CrI 3 /1L-石墨烯结构的记忆晶体管示意图。b) 我们的记忆晶体管的光学显微镜图像。c) 隧道电阻作为所施加磁场的函数，在 CrI 3层中表现出自旋翻转。d) DFT 计算的电荷密度差图，其中颜色图显示 (100) 平面上 Δρ 的平均值。蓝色、棕色和灰色球体分别代表 Cr、I 和 C 原子。e) DFT 计算的自旋密度差，其中蓝色和红色分别表示多数和少数自旋密度。f) 计算得到的石墨烯/CrI 3异质结构的能带色散。红点和蓝点分别显示具有向上和向下自旋的石墨烯投影组件。它们的点大小和颜色强度表示放大的投影比率。
图2. CrI 3上石墨烯的隧道传输和带隙打开。
a)不同V top值下隧道电流与V b的函数关系。插图放大了虚线框标记的隧道电流。b) V b = −0.3 V 时的传输曲线。c) 计算出的传输曲线，由电子自旋分解。红色和蓝色曲线表示石墨烯隧道电流的上下自旋分量。绿色曲线显示总隧道电流，对应于 (a) 中的传输曲线。d,e) 忆阻器中通道的两个能带图，对应于 (b) 中标记的两个V顶部范围（“I”和“II”）。随着V top (d)的增加，t-Gr 变得更加n 掺杂，势垒高度降低。当我们进一步增加V top (e)时，t-Gr 的费米能级接近带隙能量。
图3. CrI 3上石墨烯中的自旋极化光致发光。d I /d V g映射为V top和磁场的函数，其中 a) V b = −0.2 V 和 b) V b = 0.2 V。d I /d V g映射中显示了清晰的 LL 条纹，其中不同的 LL 斜率出现在两个区域（区域 1 和区域 2）。区域 1 中的 LL 是在石墨烯的线性能带色散中产生的，而区域 2 中的 LL 是由杂化的自旋选择性能带产生的。绿色垂直虚线上 LL 的斜率变化表明 t-Gr 中与 CrI 3杂交的带在 t-Gr 中形成不同的 LL 形成。c) CrI 3上磁化石墨烯中的示意性LL 。黑色虚线描绘了 CrI 3上石墨烯的杂化自旋带。红色圆圈表示大量狄拉克色散中的 LL，而蓝色圆圈表示具有非杂化线性色散的原始石墨烯中的 LL。
图4. 自旋选择性记忆晶体管。
a)磁场为 0.7、0.8 和 0.9 T 的I – V顶部曲线，显示了我们的自旋选择性记忆晶体管中自旋翻转的电控制。需要较高的V top才能用较低的磁场触发自旋翻转。b) 将阈值V top外推为磁场的函数，显示出线性关系。c)不同V b下的I – V top曲线，表明自旋翻转由V top主导。d）掺杂相关的层间交换相互作用的计算结果。净相互作用J inter由不同层的 Cr 离子之间的相互作用之和给出。e）电荷转移引起的反铁磁层间耦合减少的示意图。f) 通过V顶部脉冲实现可靠的记忆晶体管操作。写入、读取和擦除操作可以通过V。
相关科研成果由韩国科学技术院Heejun Yang, Myung Joon Han和北京理工大学Shoujun Zheng等人于2024年发表在Advanced Materials（https://doi.org/10.1002/adma.202310291）上。原文：Spin-Selective Memtransistors with Magnetized Graphene
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202310291
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