Les chercheurs Afficher les champs électriques peuvent être utilisés comme interrupteurs marche / arrêt en dopé Films multiferroïques

Published on May 21, 2009 at 8:14 PM

Multiferroïques sont des matériaux dans lesquels des combinaisons uniques de propriétés électriques et magnétiques peuvent simultanément coexister. Ils sont les pierres angulaires potentielles à l'avenir de stockage de données magnétiques et dispositifs spintroniques fourni un moyen simple et rapide peut être trouvée à transformer leurs propriétés électriques et magnétiques sur et en dehors. Dans un développement prometteur de nouvelles, des chercheurs du département américain de l'Énergie Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) de travailler avec un prototype multiferroïques ont démontré avec succès un tel interrupteur - champs électriques.

Ramamoorthy Ramesh et Chan-Ho Yang de Berkeley Lab Matériaux Division des sciences a démontré avec succès que les champs électriques peuvent être utilisés comme interrupteurs marche / arrêt de films dopés multiferroïque, un développement prometteur pour l'avenir de stockage de données magnétiques et dispositifs spintroniques.

«Utilisation des champs électriques, nous avons été capables de créer, effacer et inverser jonctions pn dans un film de calcium dopé bismuth ferrite», a déclaré Ramesh Ramamoorthy de la Division de Berkeley Lab Sciences des Matériaux (TMS), qui a dirigé cette recherche.

«Grâce à la combinaison de la conduction électronique avec les propriétés électriques et magnétiques déjà présents dans la ferrite de bismuth multiferroïques, notre démonstration ouvre la porte à la fusion et de magnetoelectrics magnétoélectronique à température ambiante."

Ramesh, qui est également professeur au Département de science des matériaux et en génie et le Département de Physique à l'Université de Berkeley, a publié un document sur cette recherche qui est maintenant disponible dans l'édition en ligne de la revue Nature Materials. Le document est intitulé: «modulation électrique de la conduction dans les multiferroïques

Ca dopé BiFeO3 films. "Co-auteur du papier avec Ramesh étaient Chan-Ho Yang, Jan Seidel, Sang-Yong Kim, Pim Rossen, Pu Yu, Marcin Gajek, Ying-Hao Chu, Lane Martin, Micky Holcomb, il Qing , Petro Maksymovych, Nina Balke, Sergueï Kalinine, Arthur Baddorf, Sourav Basu et Matthew Scullin.

La prochaine génération d'ordinateurs qui promet d'être plus petits, plus rapides et beaucoup plus polyvalent que grâce appareils d'aujourd'hui dans le cadre du développement prévu de puces de mémoire qui stockent des données grâce à spin de l'électron et son moment magnétique associé plutôt que charge de l'électron. Parce multiferroïques présentent simultanément deux ou plusieurs ferro électrique ou propriétés magnétiques en réponse aux changements dans leur environnement, ils sont considérés comme d'excellents candidats pour être des matériaux de choix pour cette technologie.

Ferrite Bismuth est un composé de multiferroïques bismuth, du fer et d'oxygène (BiFeO3). Il est à la fois ferroélectriques et antiferromagnétiques ("ferro" se réfère à un magnétisme dans le fer, mais le terme a augmenté pour inclure des matériaux et des propriétés qui n'ont rien à voir avec le fer), et a commandé un intérêt particulier dans le domaine de la spintronique, notamment après une découverte surprenante par Ramesh et son groupe plus tôt cette année. Ils ont trouvé que bien que le bismuth ferrite est un matériau isolant, la course grâce à ses cristaux sont ultraminces (deux dimensions) des feuilles appelées "parois" qui conduisent l'électricité à température ambiante. Cette découverte suggère que le dopage droite, les Etats qui se livrent à la ferrite de bismuth pourraient être stabilisés, ouvrant la possibilité de créer des jonctions pn, une clé essentielle pour l'électronique des solides.

«Isolant aux transitions conducteurs sont généralement contrôlés par la combinaison de dopage chimique et les champs magnétiques, mais les champs magnétiques sont trop coûteuses et consommatrices d'énergie pour être pratique dans des appareils commerciaux", a déclaré Ramesh. "Les champs électriques sont beaucoup plus utiles paramètres de contrôle parce que vous pouvez facilement appliquer une tension à travers un échantillon et le moduler selon les besoins pour induire des transitions isolant-conducteur."

Dans leur nouvelle étude, Ramesh et son premier groupe dopé la ferrite de bismuth avec des ions accepteurs de calcium, qui sont connus pour augmenter la quantité de courant électrique que les matériaux tels que la ferrite de bismuth peut transporter. L'ajout des ions calcium créé lacunes d'oxygène chargées positivement. Quand un champ électrique a été appliqué aux films de calcium dopé bismuth ferrite, les lacunes d'oxygène est devenu mobile. Le champ électrique "balayé" les lacunes d'oxygène vers la surface supérieure du film, créant une semi-conducteurs de type n dans cette partie du film, tandis que les ions calcium immobile créé un semi-conducteur de type p dans la partie inférieure. Inversion du sens du champ électrique inversé type n et les régions semi-conducteurs de type P, et un champ modérée de les effacer.

«C'est le même principe que dans un dispositif CMOS où l'application d'une tension sert d'interrupteur marche / arrêt qui contrôle les propriétés de transport des électrons et des variations de résistance électrique de haute (isolant) à faible (conducteur)", a déclaré Ramesh.

Alors qu'un dispositif typique CMOS dispose d'un rapport marche / arrêt de commutation (la différence entre la résistance et la non-résistance au courant électrique) d'environ un million, Ramesh et son groupe a réalisé une commutation marche / arrêt ratio d'environ un millier dans leur calcium dopé bismuth films de ferrite. Bien que ce ratio est suffisant pour le fonctionnement du dispositif et de doubler le meilleur ratio obtenu avec les champs magnétiques, de Chan-Ho Yang, auteur principal de Nature Materials le présent document et une post doc-dans le groupe de Ramesh dit qu'il peut être amélioré.

«Pour faire l'état ON plus conducteur, nous avons beaucoup d'idées à essayer différents tels que le calcium-dopage ratios, les Etats souche différente, différentes conditions de croissance, et les composés éventuellement différentes en utilisant la même idée," a dit Yang.

Il ya un an, Ramesh et son groupe ont démontré qu'un champ électrique peut être utilisé pour contrôler le ferromagnétisme dans un film non dopé bismuth ferrite. (Voir Nature Materials, "champ électrique de contrôle du ferromagnétisme local en utilisant une multiferroïques magnétoélectrique")

Avec cette nouvelle démonstration que la combinaison de dopage et un champ électrique appliqué peut changer l'état isolant-conducteur d'un multiferroïque, lui et ses collègues ont montré une voie à suivre dans l'adaptation de multiferroïques à des phénomènes comme la magnétorésistance colossale, la supraconductivité à haute température et SQUID Type de détecteurs de champ magnétique ainsi que la spintronique.

A dit Yang, "oxydes tels que la ferrite de bismuth sont abondantes et l'affichage de nombreuses propriétés exotiques, y compris supraconductivité à haute température et la magnétorésistance colossale, mais ils n'ont pas été beaucoup utilisé dans des applications réelles, car il a été si difficile de contrôler les défauts, en particulier, les postes vacants d'oxygène. Nos observations suggèrent une technique générale pour faire défauts vacance d'oxygène contrôlables. "

La plupart des travaux dans cette dernière étude menée par Ramesh et son groupe a été réalisée à la source Berkeley Lab Advanced Light (SLA), sur le microscope PEEM2. PEEM, qui se tient pour la microscopie électronique photoémission, est une technique idéale pour étudier les domaines ferro magnétique et antimagnétique, et PEEM2, alimenté par un aimant se plier à la SLA ligne de lumière 7.3.1.1, est l'un des meilleurs instruments du monde, capable de résoudre des caractéristiques seulement une quelques nanomètres d'épaisseur.

«Sans les capacités de nos expériences PEEM2 aurait été morte dans l'eau", a déclaré Ramesh. "Andreas Scholl (qui gère PEEM2) et son équipe de SLA ont été une aide énorme."

Cette recherche a été principalement soutenue par le Département américain de l'énergie Bureau des sciences à travers son programme de base en sciences de l'énergie.

Last Update: 5. October 2011 09:23

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