Site Sponsors
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
20% off Mass Spectrometer range at Conquer Scientific
Related Offers

Onderzoekers tonen Elektrische velden kunnen gebruikt worden als ON / OFF schakelaars in Doped multiferroïsche Films

Published on May 21, 2009 at 8:14 PM

Multiferroics zijn materialen waarin de unieke combinaties van elektrische en magnetische eigenschappen kunnen tegelijk naast elkaar bestaan. Zij zijn de potentiële hoekstenen in de toekomst magnetische data-opslag en spintronica leverde een eenvoudige en snelle manier kan worden gevonden om hun elektrische en magnetische eigenschappen in-en uitschakelen. In een veelbelovende nieuwe ontwikkeling, onderzoekers met de US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben het werken met een prototypisch multiferroïsche met succes aangetoond zo'n schakelaar - elektrische velden.

Ramamoorthy Ramesh en Chan-Ho Yang van het Berkeley Lab Materials Sciences Division met succes aangetoond dat elektrische velden gebruikt kunnen worden als ON / OFF schakelaars in gedoteerde multiferroïsche films, een ontwikkeling die belofte voor de toekomst magnetische data-opslag en spintronica houdt.

"Het gebruik van elektrische velden, we hebben kunnen maken, wissen en PN-juncties omkeren in een calcium-gedoteerde bismut ferriet film", zegt Ramesh Ramamoorthy van Berkeley Lab Materials Sciences Division (MSD), die leiding gaf aan dit onderzoek.

"Door de combinatie van elektronische geleiding met de elektrische en magnetische eigenschappen al aanwezig in de multiferroïsche bismuth ferriet, onze demonstratie opent de deur naar het samenvoegen magnetoelectrics en magnetoelektronica bij kamertemperatuur."

Ramesh, die ook een professor in het Department of Materials Science and Engineering en het Department of Physics aan UC Berkeley, heeft een paper over dit onderzoek dat is nu beschikbaar in de on-line editie van het tijdschrift Nature Materials. Het papier is getiteld: "Elektrische modulatie van de geleiding in multiferroïsche

Ca-gedoteerde BiFeO3 films. "Co-authoring het papier met Ramesh waren Chan-Ho Yang, Jan Seidel, Sang-Yong Kim, Pim Rossen, Pu Yu, Marcin Gajek, Ying-Hao Chu, Lane Martin, Micky Holcomb, Qing Hij , Petro Maksymovych, Nina Balke, Sergei Kalinin, Arthur Baddorf, Sourav Basu en Matthew Scullin.

De volgende generatie van computers belooft te worden kleiner, sneller en veelzijdiger dan de apparaten van vandaag mede dankzij de verwachte ontwikkeling van het geheugen chips die gegevens opslaan door middel van electron spin en de bijbehorende magnetisch moment in plaats van elektron lading. Omdat multiferroica tegelijkertijd twee of meer ferro elektrische of magnetische eigenschappen vertonen als reactie op veranderingen in hun omgeving, ze beschouwd als belangrijkste kandidaten om de materialen van de keuze voor deze technologie.

Bismut ferriet is een multiferroïsche bestaat uit bismut, ijzer en zuurstof (BiFeO3). Het is zowel ferro-elektrische en antiferromagnetische ("ferro" verwijst naar magnetisme in ijzer, maar de term is uitgegroeid tot materialen en eigenschappen die niets te maken met ijzer hebben onder andere), en heeft bevolen bijzondere interesse in het gebied van spintronica, vooral na een verrassende ontdekking door Ramesh en zijn groep eerder dit jaar. Zij vonden dat, hoewel bismut ferriet is een isolerend materiaal, die door de kristallen zijn ultradunne (twee-dimensionale) platen genaamd "domein muren 'die elektriciteit geleiden bij kamertemperatuur. Deze ontdekking suggereerde dat met de juiste doping, het uitvoeren van staten in bismuth ferriet kan worden gestabiliseerd, het openen van de mogelijkheid van het creëren van pn juncties, een cruciale sleutel tot solid state elektronica.

"Isolator naar dirigent overgangen worden meestal bestuurd door de combinatie van chemische doping en magnetische velden, maar magnetische velden zijn te duur en die energie verbruiken om praktisch in commerciële apparaten", zegt Ramesh. "Elektrische velden zijn veel nuttiger regelparameters, want je kunt een voltage gemakkelijk toe te passen over een monster en moduleren als nodig is om isolatie-dirigent overgangen induceren."

In hun nieuwe studie, Ramesh en zijn groep voor het eerst gedoteerd de bismut ferriet met calcium-acceptor ionen, waarvan bekend is dat de hoeveelheid elektrische stroom die materialen zoals bismut ferriet kunnen dragen toenemen. De toevoeging van de calcium-ionen ontstaan ​​positief geladen zuurstof vacatures. Wanneer een elektrisch veld werd toegepast op de calcium-gedoteerde bismut ferriet films, de zuurstof vacatures werd mobiel. Het elektrische veld "geveegd" de zuurstof vacatures naar top van de film het oppervlak, het creëren van een n-type halfgeleider in dat deel van de film, terwijl de immobiele calciumionen creëerde een p-type halfgeleider in het onderste gedeelte. Het omkeren van de richting van het elektrische veld omgekeerde het n-type en p-type halfgeleider regio's, en een matige veld gewist ze.

"Het is hetzelfde principe als in een CMOS-apparaat waar de toepassing van een spanning dient als een aan / uit schakelaar dat elektron transport eigenschappen en veranderingen elektrische weerstand van de hoge (isolator) tot laag (dirigent) controles", zegt Ramesh.

Overwegende dat het een typische CMOS-apparaat is voorzien van een aan / uit schakelen ratio (het verschil tussen de weerstand en niet-weerstand tegen elektrische stroom) van ongeveer een miljoen, Ramesh en zijn groep realiseerde een aan / uit schakelen verhouding van ongeveer duizend in hun calcium-gedoteerde bismut ferriet films. Terwijl deze verhouding is voldoende voor werking van het apparaat en het dubbele van de beste verhouding bereikt met magnetische velden, Chan-Ho Yang, hoofdauteur van deze Nature Materials papier en een post-doc in de groep Ramesh's zegt dat het kan worden verbeterd.

"Om de ON staat meer geleidende, hebben we veel ideeën hebben om te proberen, zoals verschillende calcium-doping ratio's, andere stam toestanden, verschillende groeiomstandigheden, en uiteindelijk verschillende verbindingen met hetzelfde idee," zei Yang.

Een jaar geleden, Ramesh en zijn groep lieten zien dat een elektrisch veld kan worden gebruikt om ferromagnetisme controle in een niet-gedoteerde bismut ferriet film. (Zie Nature Materials, "Electric-veld controle van de plaatselijke ferromagnetisme met behulp van een magnetoelektrisch multiferroïsche")

Met deze nieuwe demonstratie dat de combinatie van doping en een aangelegd elektrisch veld kan de isolerende-geleidende toestand van een multiferroïsche verandering, hebben hij en zijn collega's zien een weg bij de aanpassing multiferroica om dergelijke fenomenen als kolossale magnetoweerstand, hoge temperatuur supergeleiding en SQUID- soort magnetisch veld detectoren en spintronica.

Zei Yang, "oxiden zoals bismut ferriet zijn er in overvloed en vertonen veel exotische eigenschappen zoals hoge-temperatuur supergeleiding en kolossale magnetoweerstand, maar ze zijn niet veel gebruikt in real-toepassingen, omdat het zo moeilijk is geweest om gebreken, in het bijzonder, zuurstof vacatures controle. Onze waarnemingen suggereren een algemene techniek om zuurstof vacature gebreken beheersbaar. "

Veel van het werk in deze laatste studie van Ramesh en zijn groep werd uitgevoerd bij Advanced Light Source Berkeley Lab (ALS), op de PEEM2 microscoop. PEEM, wat staat voor foto-emissie Electron Microscopy, is een ideale techniek voor het bestuderen van ferro magnetische en antimagnetisch domeinen, en PEEM2, aangedreven door een bocht magneet bij ALS bundellijn 7.3.1.1, is een van 's werelds beste instrumenten in staat om functies slechts een op te lossen enkele nanometers dik.

"Zonder de mogelijkheden van PEEM2 onze experimenten zou zijn dood zijn in het water", zei Ramesh. "Andreas Scholl (wie beheert PEEM2) en zijn ALS team waren een enorme hulp."

Dit onderzoek werd vooral gesteund door het Amerikaanse ministerie van Energie Bureau of Science via de Basic Energy Sciences programma.

Last Update: 8. October 2011 22:27

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit