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基于石墨烯/CrX3(X=Cl,Br,I)异质结电输运邻近效应的调控研究

批准号:
12104391
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
潘海洋
依托单位:
学科分类:
凝聚态物质输运性质
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
潘海洋

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
邻近效应可以将相邻材料的磁性和自旋-轨道耦合引入到石墨烯电子体系中,为石墨烯能带的调控提供了一种简单有效手段。通过调控邻近效应强度对石墨烯能带产生不同的修饰效果,进而实现不同能态的转换,能够解决石墨烯在未来电子学器件领域应用的重要问题。然而,当前对石墨烯邻近效应的研究中,还未见通过调节邻近效应的强度以实现不同量子态调控的报道。本项目拟通过层层转移的方法制备氮化硼封装的石墨烯/二维磁性绝缘材料CrX3(X=Cl,Br,I)异质结,系统研究CrX3体系二维磁性材料对石墨烯邻近效应的输运行为。此异质结结构具有原子级锐利度的邻近界面,氮化硼的封装还能使石墨烯的迁移率接近理论极限,实现在本征石墨烯电子态中研究邻近效应的作用。薄层CrX3体系材料的磁性还能被门电压调控,进而对石墨烯诱导出不同强度的邻近效应,实现不同量子态的转变。
英文摘要
The proximity effect introduces the magnetism and spin-orbit coupling of adjacent materials into graphene’s electronic system, which provides a simple and effective methods to modify graphene’s band structures. The transition of different energy states can be achieved by adjusting the intensity of proximity effect to produce different modification band structures of graphene, solving graphene’s application problem in the field of electronic devices in the future. However, there is no report of different quantum states transition of graphene through the manipulation of proximity effect. This project aims to fabricate the heterostructures of graphene/ CrX3(X= Cl, Br, I) encapsulated with hexagonal boron nitride by dry transfer method to study graphene’s proximity effect, and systematically study graphene’s electron transport influenced by the proximity effect induced by two-dimensional magnetic materials. Atomically sharp interface of this heterostructures can promote the proximity effect and increase the mobility of graphene to its intrinsic limit, which allows to study the intrinsic quantum phenomena of graphene induced by proximity effect. The magnetic properties of thin layer CrX3 system materials can also be adjusted by gate voltage, thus inducing different intensity of proximity effect on graphene’s electron system and further realizing different quantum state transition.
本项目主要研究二维材料石墨烯与铁磁材料异质结器件的邻近效应,以及其所产生的自旋效应研究。经过最近几年的发展,二维铁磁材料也是最初发现的Cr2Ge2Te6和CrI3拓展到铁磁性更强,材料更加稳定的体系,比如二维铁磁材料Fe3GeTe2和Fe3GaTe2晶体。Fe3GaTe2的居里温度能够达到340K以上的室温铁磁温度,并且表现出强烈的磁各向异性。这些材料的出现,为构造制备室温自旋器件的研究提供了很好的平台。基于最近三年的二维材料发现背景,我们着重以二维铁磁材料Fe3GaTe2晶体为基体,制备它与石墨烯以及过渡金属硫族化合物构成的横向及纵向自旋阀器件,研究其自旋阀效应。主要合成制备了,Fe3GaTe2/graphene横向自旋阀,以及Fe3GaTe2/WSe2/Fe3GaTe2纵向自旋阀结构。在Fe3GaTe2/graphene横向自旋阀结构中,自旋传输通道是少层石墨烯,室温铁磁材料Fe₃GaTe₂同时用作自旋注入器和探测器。当磁场沿Fe₃GaTe₂的面外易轴方向扫描时,可以观察到显著的非局域自旋阀信号。该非局域自旋阀信号甚至在320 K时仍然存在,即使在低偏置电流1 μA的情况下,也可以检测到显著的非局域自旋阀信号。进一步的磁场角度依赖的非局域测量表明,非局域自旋阀行为与Fe₃GaTe₂强大的垂直磁各向异性密切相关。当磁场接近垂直方向施加时,非局域自旋阀信号最为显著,而在面内磁场下则消失。该成果发表在知名期刊ACS Materials Lett上。在Fe3GaTe2/WSe2/Fe3GaTe2纵向磁隧穿结(MTJ)自旋阀结构中,MTJ的自旋阀效应无论是在低温还是室温条件下,在电流低于1 nA的情况下也能被检测到。在2 K时的隧穿磁阻(TMR)为340%,而在300 K时为50%。值得注意的是,即使在室温下,TMR的大小和符号也可以通过直流偏置电流进行调制,这种能力在全范德华结构的MTJ中此前尚未实现。这种可调TMR源于在施加有限电偏置时,金属铁磁体Fe₃GaTe₂中与能量相关的局域自旋态在隧穿传输过程中所作出的贡献。该成果发表在知名期刊INFOMAT上。同时,我们也参与了其它一些二维材料器件的研究。我们的研究为开发室温铁磁二维材料自旋器件的设计和原理控制方面提供了参考。
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