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I ricercatori Mostra campi elettrico può essere usato come switch ON / OFF in drogata Film multiferroic

Published on May 21, 2009 at 8:14 PM

Multiferroics sono materiali in cui combinazioni uniche di proprietà elettriche e magnetiche possono coesistere contemporaneamente. Sono pietre miliari potenziali in futuro di memorizzazione magnetici di dati e dispositivi spintronici fornito un modo semplice e veloce si possono trovare per trasformare le loro proprietà elettriche e magnetiche e si spegne. In uno sviluppo nuovo e promettente, i ricercatori con l' US Department of Energy del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) lavorando con un multiferroic prototipo hanno dimostrato con successo solo come un interruttore - campi elettrici.

Ramamoorthy Ramesh e Chan-Ho Yang della Divisione Berkeley Lab Materials Sciences ha dimostrato con successo che i campi elettrici possono essere utilizzati come interruttori ON / OFF nel film multiferroic drogato, uno sviluppo che promette per il futuro di memorizzazione magnetica dei dati e dispositivi spintronici.

"Utilizzo di campi elettrici, siamo stati in grado di creare, cancellare e invertire giunzioni pn in un calcio drogato con film di ferrite di bismuto", ha detto Ramesh Ramamoorthy del Berkeley Lab Materials Sciences Division (MSD), che ha condotto questa ricerca.

"Attraverso la combinazione di conduzione elettronica con le proprietà elettriche e magnetiche già presenti nel bismuto multiferroic ferrite, la nostra manifestazione apre le porte alla fusione magnetoelectrics e magnetoelectronics a temperatura ambiente."

Ramesh, che è anche professore presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria e il Dipartimento di Fisica all'Università di Berkeley, ha pubblicato un articolo su questa ricerca che è ora disponibile nella edizione on-line della rivista Nature Materials. Il documento è intitolato: "modulazione elettrica di conduzione in multiferroic

Ca-drogato BiFeO3 film. "Co-autore del Libro con Ramesh erano Chan-Ho Yang, Jan Seidel, Sang-Yong Kim, Pim Rossen, Pu Yu, Marcin Gajek, Ying-Hao Chu, Lane Martin, Micky Holcomb, Qing Lui , Petro Maksymovych, Nina Balke, Sergei Kalinin, Arthur Baddorf, Sourav Basu e Matthew Scullin.

La prossima generazione di computer promette di essere più piccoli, più veloci e molto più versatile di dispositivi di oggi, grazie in parte allo sviluppo atteso dei chip di memoria che memorizzano i dati attraverso spin dell'elettrone e il suo momento magnetico associato piuttosto che carica dell'elettrone. Perché multiferroics contemporaneamente esporre due o più ferro elettrico o proprietà magnetiche in risposta ai cambiamenti nel loro ambiente, sono considerati i primi candidati ad essere i materiali di scelta per questa tecnologia.

Ferrite di bismuto è un multiferroic composta da bismuto, ferro e ossigeno (BiFeO3). E 'sia ferroelettrici e antiferromagnetico ("Ferro" si riferisce al magnetismo in ferro, ma il termine è cresciuto fino a includere i materiali e le proprietà che non hanno nulla a che fare con il ferro), e ha comandato particolare interesse nel campo spintronica, soprattutto dopo una scoperta sorprendente di Ramesh e il suo gruppo all'inizio di quest'anno. Essi hanno scoperto che, sebbene ferrite di bismuto è un materiale isolante, che attraversa i suoi cristalli sono ultrasottile (bidimensionale) fogli chiamato "le pareti dei domini" che conducono l'elettricità a temperatura ambiente. Questa scoperta suggerisce che con il doping a destra, gli stati conducendo in ferrite di bismuto potrebbe essere stabilizzata, aprendo la possibilità di creare giunzioni pn, una chiave fondamentale per l'elettronica dello stato solido.

"Isolante a conduttore transizioni sono generalmente controllati attraverso la combinazione di doping chimico e campi magnetici, ma i campi magnetici sono troppo costosi e che consumano energia per essere pratico in dispositivi commerciali", ha detto Ramesh. "I campi elettrici sono molto più utili parametri di controllo, perché si può facilmente applicare una tensione attraverso un campione e modulare come necessario per indurre isolante-conduttore transizioni".

Nel loro studio, Ramesh e il suo primo gruppo drogato la ferrite di bismuto con ioni accettori di calcio, che sono noti per aumentare la quantità di corrente elettrica che materiali come la ferrite di bismuto può trasportare. L'aggiunta di ioni calcio creato posti vacanti ossigeno caricato positivamente. Quando un campo elettrico è stato applicato al calcio drogato con ferrite di bismuto film, i posti vacanti di ossigeno diventa mobile. Il campo elettrico "spazzato" i posti vacanti di ossigeno verso la superficie superiore del film, creando un semiconduttore di tipo n in quella parte del film, mentre gli ioni di calcio immobile creato un semiconduttore di tipo p nella parte inferiore. L'inversione della direzione del campo elettrico invertito la n-tipo e p-tipo di regioni di semiconduttori, e un campo moderato cancellarli.

"E 'lo stesso principio in un dispositivo CMOS in cui l'applicazione di una tensione funge da interruttore on / off che controlla le proprietà di trasporto degli elettroni e cambia la resistenza elettrica da alta (isolante) a bassa (conduttore)", ha detto Ramesh.

Mentre un dispositivo tipico CMOS dotato di un rapporto on / off switching (la differenza tra resistenza e non-resistenza alla corrente elettrica) di circa un milione, Ramesh e il suo gruppo ha raggiunto un accensione / spegnimento rapporto di circa un migliaio nel loro calcio drogato ferrite di bismuto film. Anche se questo rapporto è sufficiente per il funzionamento del dispositivo e il doppio del miglior rapporto realizzato con campi magnetici, Chan-Ho Yang, autore principale di questo documento Nature Materials e un post-doc nel gruppo di Ramesh dice che può essere migliorata.

"Per rendere lo stato di ON più conduttivo, abbiamo molte idee per provare come diversi calcio-doping rapporti, gli stati ceppo diverso, condizioni di crescita diverse, e infine composti diversi utilizzando la stessa idea", ha detto Yang.

Un anno fa, Ramesh e il suo gruppo hanno dimostrato che un campo elettrico può essere utilizzato per controllare ferromagnetismo in modo non drogato film di ferrite di bismuto. (Vedi Nature Materials ", elettrico-campo di controllo del ferromagnetismo locale utilizzando un magnete multiferroic")

Con questa nuova dimostrazione che la combinazione del doping e un campo elettrico applicato è possibile modificare il isolante conduttrice stato di un multiferroic, lui ei suoi colleghi hanno dimostrato uno dei modi in avanti nell'adeguamento multiferroics a fenomeni come magnetoresistenza colossale, la superconduttività ad alta temperatura e SQUID Tipo di rilevatori di campo magnetico così come spintronica.

Yang ha detto: "Ossido come ferrite di bismuto sono molte proprietà abbondanti e visualizzare esotici tra cui superconduttività ad alta temperatura e magnetoresistenza colossale, ma non sono stati utilizzati molto in applicazioni reali, perché è stato così difficile da controllare difetti, soprattutto, offerte di lavoro ossigeno. Le nostre osservazioni suggeriscono una tecnica generale per rendere i difetti vacanza ossigeno controllabile ".

Gran parte del lavoro in questo ultimo studio di Ramesh e il suo gruppo è stata effettuata presso Advanced Light Source di Berkeley Lab (ALS), il microscopio PEEM2. PEEM, che sta per Microscopia fotoemissione Electron, è una tecnica ideale per lo studio dei domini ferro-magnetici e antimagnetico, e PEEM2, alimentato da un magnete a piegare SLA linea di luce 7.3.1.1, è uno dei migliori strumenti del mondo, in grado di risolvere funzioni solo una pochi nanometri di spessore.

"Senza le capacità dei nostri esperimenti PEEM2 sarebbe morta in acqua", ha detto Ramesh. "Andreas Scholl (che gestisce PEEM2) e il suo team SLA sono stati di grande aiuto."

Questa ricerca è stata principalmente sostenuta dal US Department of Energy Office of Science di base attraverso il suo programma Energy Sciences.

Last Update: 3. October 2011 02:37

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