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Forscher zeigen, Elektrische Felder als Kann ON / OFF Schalter sein in Doped Multiferroische Filmen

Published on May 21, 2009 at 8:14 PM

Multiferroika sind Materialien, in denen eine einzigartige Kombination von elektrischen und magnetischen Eigenschaften gleichzeitig nebeneinander existieren können. Sie sind potentielle Eckpfeiler in Zukunft der magnetischen Datenspeicherung und Spintronikbauelemente bot eine einfache und schnelle Weise gefunden werden können, um ihre elektrischen und magnetischen Eigenschaften ein-und ausschalten werden. In eine viel versprechende neue Entwicklung, Forscher mit dem US Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) elektrische Felder - haben die Arbeit mit einer prototypischen multiferroischen erfolgreich ein solcher Schalter bewiesen.

Ramamoorthy Ramesh und Chan-Ho Yang aus Berkeley Lab Materials Sciences Division erfolgreich gezeigt, dass elektrische Felder, wie ON / OFF-Schalter in dotierten multiferroischen Filme, eine Entwicklung, die Versprechen für die Zukunft der magnetischen Datenspeicherung und Spintronikbauelemente hält genutzt werden kann.

"Mit elektrischen Feldern, konnten wir zu erstellen, zu löschen und invertieren pn-Übergänge in einem Calcium-dotierte Wismut Ferrit-Film", sagte Ramesh Ramamoorthy des Berkeley Lab Materials Sciences Division (MSD), der diese Studie leitete.

"Durch die Kombination von elektronischer Leitung mit dem elektrischen und magnetischen Eigenschaften bereits in der multiferroischen Wismut Ferrit, öffnet unsere Demonstration die Tür zum Zusammenführen magnetoelectrics und Magnetoelektronik bei Raumtemperatur."

Ramesh, der auch Professor an der Department of Materials Science and Engineering und der Fakultät für Physik an der UC Berkeley, hat ein Papier über diese Forschung veröffentlicht, ist jetzt in der Online-Ausgabe der Zeitschrift Nature Materials zur Verfügung. Das Papier trägt den Titel: "Electric Modulation der Leitung in multiferroischen

Ca-dotierten BiFeO3 Filme. "Co-Authoring das Papier mit Ramesh wurden Chan-Ho Yang, Jan Seidel, Sang-Yong Kim, Pim Rossen, Pu Yu, Marcin Gajek, Ying-Hao Chu, Lane Martin, Micky Holcomb, Qing He , Petro Maksymovych, Nina Balke, Sergej Kalinin, Arthur Baddorf, Sourav Basu und Matthew Scullin.

Die nächste Generation von Computern zu werden verspricht kleiner, schneller und weitaus vielseitiger als die heutigen Geräte zum Teil dank der erwarteten Entwicklung von Speicherchips, die Daten durch Elektronen-Spin und der damit verbundenen magnetischen Moment statt Elektronenladung. Da Multiferroika zeigen gleichzeitig zwei oder mehr ferro elektrischen oder magnetischen Eigenschaften in Reaktion auf Veränderungen in ihrer Umwelt, sie sind als Hauptkandidaten auf die Materialien der Wahl für diese Technologie.

Wismut Ferrit ist ein multiferroischen von Wismut, Eisen und Sauerstoff (BiFeO3) zusammen. Es ist sowohl ferroelektrischen und antiferromagnetischen ("ferro" bezieht sich auf Magnetismus in Eisen, sondern der Begriff hat sich zu Materialien und Eigenschaften, die nichts mit Eisen zu tun haben, gehören), und befohlen hat besonderes Interesse an der Spintronik Bereich, vor allem nach einer überraschenden Entdeckung durch Ramesh und seine Gruppe in diesem Jahr. Sie fanden heraus, dass, obwohl Wismut Ferrit ist ein isolierendes Material, läuft durch ihre Kristalle sind ultradünne (zweidimensionale) Blatt genannte "Domain-Wände", die elektrischen Strom leiten bei Raumtemperatur. Diese Entdeckung schlug vor, dass mit der richtigen Dotierung der leitenden Zuständen in Wismut Ferrit stabilisiert werden konnte, eröffnet die Möglichkeit der Schaffung pn-Übergänge, ein entscheidender Schlüssel zur Festkörperelektronik.

"Insulator um Leiter Übergänge sind typischerweise durch die Kombination von chemischen Dotierung und magnetische Felder gesteuert, sondern Magnetfelder sind zu teuer und energieaufwendig, praktisch zu sein in kommerziellen Geräten", sagte Ramesh. "Elektrische Felder sind viel nützlicher Regelparameter, weil man einfach anwenden können eine Spannung über einer Probe und modulieren es als notwendig, um Isolator-Leiter Übergänge zu induzieren."

In ihrer neuen Studie, Ramesh und seine Gruppe zunächst die Wismut Ferrit mit Calcium Akzeptor-Ionen, die bekanntlich die Menge Strom, die Materialien wie Wismut Ferrit tragen kann erhöht dotiert sind. Die Zugabe des Calcium-Ionen erzeugt positiv geladene Sauerstoff-Fehlstellen. Wenn ein elektrisches Feld, um die Calcium-dotierte Wismut Ferrit Filmen angewendet wurde, wurde der Sauerstoff-Fehlstellen mobile. Das elektrische Feld "fegte" der Sauerstoff-Fehlstellen in Richtung des Films Oberfläche, wodurch ein n-Halbleiter in diesem Teil des Films, während die immobilen Calciumionen schuf eine p-Halbleiter in den unteren Teil. Die Umkehrung der Richtung des elektrischen Feldes umgekehrt der n-und p-Halbleiter Regionen und eine moderate Feld gelöscht ihnen.

"Es ist das gleiche Prinzip wie in einem CMOS-Gerät, wo die Anlegung einer Spannung dient als Ein / Aus-Schalter, der Elektronen-Transport-Eigenschaften und Veränderungen elektrischen Widerstand von hohen (Isolator) zu niedrig (Dirigent) steuert", sagte Ramesh.

Während eines typischen CMOS Gerät verfügt über einen Ein / Ausschalten Verhältnis (der Unterschied zwischen Widerstand und Nicht-Widerstand gegen elektrischen Strom) von etwa einer Million erreicht Ramesh und seine Gruppe einen Ein / Ausschalten Verhältnis von etwa tausend in deren Calcium-dotierte Wismut Ferrit-Filme. Während dieses Verhältnis ist ausreichend für Betrieb des Geräts, und doppelklicken das beste Verhältnis mit Magnetfeldern, Chan-Ho Yang, Hauptautor dieses Nature Materials Papier und ein post-doc in Ramesh Gruppe erreicht, sagt sie verbessert werden kann.

"Um den Zustand ON mehr leitend, wir viele Ideen haben, wie verschiedene Calcium-Doping-Verhältnisse, anderen Stamm Staaten, verschiedenen Wachstumsbedingungen und schließlich verschiedene Verbindungen mit der gleichen Idee versuchen", sagte Yang.

Vor einem Jahr zeigte Ramesh und seine Gruppe, die ein elektrisches Feld verwendet werden könnte, Ferromagnetismus in einem nicht-dotierten Wismut Ferrit-Film steuern. (Siehe Nature Materials, "Electric-Field Kontrolle der lokalen Ferromagnetismus mit einem magnetoelektrischen multiferroischen")

Mit diesem neuen Beweis dafür, dass die Kombination von Doping und einem angelegten elektrischen Feld können die isolierenden leitenden Zustand eines multiferroischen ändern, müssen er und seine Kollegen einen Weg nach vorn bei der Anpassung Multiferroika Phänomene wie kolossale Magnetowiderstand, Hochtemperatur-Supraleitung und SQUID-gezeigt Art Magnetfeld-Detektoren sowie Spintronik.

, Sagte Yang ", Oxide wie Wismut Ferrit sind reichlich vorhanden und zeigt viele exotische Eigenschaften wie Hochtemperatur-Supraleitung und kolossale Magnetowiderstand, aber sie haben nicht viel in realen Anwendungen verwendet, weil es wurde so schwer zu Mängeln, vor allem, Sauerstoff-Fehlstellen kontrollieren. Unsere Beobachtungen deuten auf eine allgemeine Technik, um Sauerstoff Leerstellendefekte kontrollierbar. "

Ein Großteil der Arbeit in dieser neuesten Studie von Ramesh und seine Gruppe wurde bei Advanced Light Source in Berkeley Lab (ALS) durchgeführt, auf der PEEM2 Mikroskop. PEEM, die für die Photoemission Electron Microscopy steht, ist eine ideale Methode zur Untersuchung von ferromagnetischen und antimagnetisch Domänen und PEEM2, durch eine Kurve Magnet an ALS Beamline 7.3.1.1 betrieben, ist eine der weltweit besten Instrumente in der Lage, Funktionen nur eine Lösung wenige Nanometer dick.

"Ohne die Fähigkeiten von PEEM2 unseren Experimenten wäre tot im Wasser haben", sagte Ramesh. "Andreas Scholl (wer verwaltet PEEM2) und sein Team waren ALS eine enorme Hilfe."

Diese Arbeit wurde vor allem durch das US Department of Energy Office of Science über ihre Basic Energy Sciences-Programm unterstützt.

Last Update: 8. October 2011 23:01

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