二次元スピントロニクスの最近の進歩

はじめに

巨大磁気抵抗効果（GMR）の発見と応用により、スピントロニクスは急速に魅力的な分野に発展し、電子のスピン自由度を情報キャリアとして使用して、データストレージと論理演算を実現することを目指しています[1,2,3 ]。電荷に基づく従来のマイクロエレクトロニクスデバイスと比較して、スピントロニクスデバイスはスピン状態を切り替えるために必要なエネルギーが少なくてすむため、動作速度が速くなり、エネルギー消費量が少なくなります。したがって、スピントロニクスは、代替の多機能、高速、低エネルギーの電子デバイスを開発するための最も有望な技術です。スピントランスファートルク磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（STT-MRAM）は商業的に製造されていますが、さまざまな技術的問題を解決する必要があります。主な課題には、スピン偏極キャリアの効率的な生成と注入、スピンの長距離伝送、およびスピン方向の操作と検出が含まれます[4,5,6]。

スピントロニクスのブームと並行して、2次元（2D）ファンデルワールス（vdW）材料は、グラフェンの分離以来、材料研究の最前線にあります[7,8,9]。バルク材料とは異なり、2DvdW材料は多くの新しい物理現象を示します。一部の2D材料は、次世代の2Dスピントロニクスデバイスのエンジニアリングに大きな可能性をすでに示しています[10、11、12]。たとえば、グラフェンは高い電子/正孔移動度、長いスピン寿命、および長い拡散長を示し、スピンチャネルの有望な候補になります[13、14、15]。ただし、ゼロギャップと弱いスピン軌道相互作用（SOC）の特性により、グラフェンにはグラフェンベースの電流スイッチの構築に制限があります。対照的に、2D遷移金属ジカルコゲナイド（TMDC）は、さまざまなバンドギャップ、強力なSOC効果、特に独自のスピンバレーカップリングを備えており、不揮発性情報ストレージのスピンとバレーの自由度を操作するためのプラットフォームを提供します[16、17]。トポロジカルに保護された表面状態を持つトポロジカル絶縁体（TI）は、スピン軌道相互作用が強く、スピン運動量のロックを実現します。これにより、散乱が抑制され、スピンと電荷の変換効率が向上します[4、12、18]。原子層の厚さまで固有の磁気基底状態を持つ新しい2D磁石は、新しい2Dスピントロニクスアプリケーションの新しい道を切り開きます[19、20、21]。

2Dスピントロニクスの開発に伴い、この分野での最新の実験的および理論的研究をレビューする必要があります。この記事では、2Dスピントロニクスの進歩をレビューし、いくつかの現在の課題と将来の機会についても、この新しい分野で議論しました。最初のセクションでは、グラフェン、TI、およびドーピングまたは近接効果の方法によるその他の2D材料、およびいくつかの固有の2D磁石に誘導される磁気モーメントを含む、2D材料の磁性について説明します。 2番目のセクションでは、2D材料とその界面でのスピン電荷変換、スピン輸送、スピン操作など、2Dスピントロニクスデバイスの動作を実現するための3つの基本機能を紹介します。 3番目のセクションでは、2Dスピントロニクスのアプリケーションの概要を説明します。 4番目のセクションでは、メモリストレージおよびロジックアプリケーション用のいくつかの潜在的な2Dスピントロニクスデバイスを紹介します。最後のセクションでは、実用的なアプリケーションを実現するための2Dスピントロニクスの現在の課題と将来の機会について説明します。

2Dマテリアルの磁性

磁気は、データストレージテクノロジーにおいて重要な意味を持っています。ただし、グラフェンのようなほとんどの2D材料は、本質的に磁性ではありません。非磁性材料を磁性にするために2つの方法が提案されています。最初の方法は、空孔を導入するか、吸着原子を追加することによってスピン偏極を生成することです[22、23、24]。もう1つは、隣接する磁性材料との磁気近接効果を介して磁性を導入することです[18、25、26]。最近発見された2D磁気vdW結晶は、原子スケールで固有の磁気基底状態を持ち、スピントロニクスの分野で前例のない機会を提供します[20、27]。

グラフェンに誘導される磁気モーメント

原始的なグラフェンは強い反磁性であるため、多くの理論的および実験的研究がグラフェンの磁性を調査しています。グラフェンに磁気モーメントを誘導するために、空孔の導入と水素またはフッ素の添加が使用されてきました[23、25、28]。たとえば、Kawakamiのグループは、水素吸着原子を利用してグラフェンをドープし（図1a）、非局所スピン輸送測定によって純粋なスピン電流を検出して、グラフェンの磁気モーメント形成を実証しました[23]。図1bに示すように、非局所スピン輸送測定でゼロ磁場に現れる特徴的なディップは、純粋なスピン電流が伝導電子と局所水素誘導磁気モーメントの間の交換相互作用によって散乱されることを示しています。さらに、フッ素吸着原子と空孔欠陥を持つグラフェンには常磁性モーメントがあり、SQUID（超伝導量子干渉デバイス）で測定できます[28]。それにもかかわらず、ドープされたグラフェンでの長距離強磁性秩序の実現は、依然として圧倒的な課題です。一部の研究者は、グラフェンに磁性を持たせるために磁気近接効果を使用することを提案しています[29]。グラフェンが磁性絶縁体に隣接している場合、グラフェンのπ軌道と磁性絶縁体の隣接するスピン偏極d軌道は交換相互作用を持ち、長距離強磁性結合を生成します。図1cに示すように、グラフェン/イットリウム鉄ガーネット（YIG）ヘテロ構造では、測定された異常なホール効果信号は250 Kまで持続する可能性があります（図1d）[25]。

McCreary et al。、Phys。の許可を得て複製。レット牧師109、186、604（2012）。 Copyright 2012 American Chemical Society [23]。 （c）および（d）Wang et al。、Phys。の許可を得て複製。レット牧師114、016,603（2015）。 Copyright 2015 American Chemical Society [25]

グラフェンに誘導された磁気モーメント。 a 水素によるグラフェンの磁気モーメントの理論的予測。 b 15Kでのスピン輸送測定によって検出された水素ドーピングによる磁気モーメント。デバイスは8秒の水素ドーピング後に測定されました。 c 原子的に平坦なイットリウム鉄ガーネット（YIG）強磁性薄膜に結合したグラフェン交換の概略図。 d さまざまな温度での磁性グラフェンの異常なホール抵抗測定。 a 、 b

TIで誘導される磁気モーメント

2D材料は、湿気や酸素などの環境条件の影響を受けやすくなっています。 TI表面領域の導電性表面状態は、より安定した2D材料であると考えられています[30]。さらに、TIの表面状態は、スピン運動量ロック特性を示します。これは、電荷電流の方向を介してスピン信号を操作する方法を提供します。さらに興味深いことに、磁性原子のドーピングまたは磁気近接効果によって時間反転対称性を破ると、量子異常ホール効果（QAHE）などのいくつかのエキゾチックな現象が発生する可能性があります[18、31]。 Chang etal。 [24] Crをドープした磁性TI、Cr _0.15 で最初に観察されたQAHE （Bi _0.1 Sb _0.9 ） _1.85 Te ₃ 。図2aに示すように、磁気的に誘導されたTIバンドのフェルミ準位を調整することにより、 e のホールコンダクタンスのプラトーを観察できます。 ² / h 。測定結果は、ゲート調整可能な異常なホール抵抗が h の量子化された値に達することを示しています。 / e ² ゼロ磁場で（図2b）。ただし、ドープされた磁性原子のスピン散乱効果は、TIの表面で堅牢な長距離磁気秩序を達成するために制限されます。 TIと磁性材料の間の磁気的近接性は、ドーピング原子または欠陥の導入を回避し、界面交換結合によって長距離磁気秩序を獲得することができます。スピン偏極中性子反射率（PNR）を利用して、Bi ₂ のヘテロ構造での界面磁性を研究しました。 Se ₃ / EuS（図2c）[32]。 PNRの結果は、Bi ₂ Se ₃ / EuS二重層は界面に強磁性秩序を持っており、このトポロジー的に強化された界面強磁性は室温まで持続する可能性があります（図2d）。 TIで強磁性の表面状態を実現すると、界面磁気電気効果[33]や電場誘起画像磁気単極子[34]など、いくつかの顕著な現象が現れると予測されています。

Chang et al。、Science 340、167（2013 ）。 Copyright 2013 The American Association for the Advancement of Science [24]。 c、d Katmis et al。、Nature 553、513（2016）の許可を得て複製。 Copyright 2016 Nature Publishing Group [32]

TIに誘導される磁気モーメント。 a 磁性TI薄膜のQAHEの概略図。磁化方向（M）は赤い矢印で示されています。膜の化学ポテンシャルは、誘電体基板の裏側に印加されるゲート電圧によって制御できます。 b Cr _0.15 の異なるゲート電圧でのQAHEの磁場依存性 （Bi _0.1 Sb _0.9 ） _1.85 Te ₃ 映画。 c Bi ₂ の偏極中性子反射率（PNR）実験の概略図 Se ₃ / EuS二重層フィルム。 d Bi ₂ の強磁性秩序の観測 Se ₃ PNR測定によって測定されたEuSへの磁気近接結合による/ EuS二重層サンプル。 a 、 b

他の2D材料に誘導される磁性

グラフェンとTIに加えて、フォスフォレン[35]、シリセン[36、37]、GaSe [38]、GaN [39]、ZnO [40]などの他の2D材料の固有欠陥とドーパントによって誘発される磁性も調査されています。第一原理計算の結果は、空孔と外部ひずみの相互作用がフォスフォレンの磁性を引き起こす可能性があることを示しました。ひずみがフォスフォレンのジグザグ方向に沿っており、P空孔が4％に達すると、システムは磁気モーメント〜1 μのスピン偏極状態を示します。 _B 空室サイトごと[35]。第一原理計算では、価電子帯の最上部での電子状態の交換分裂により、正孔ドーピングがGaSeとGaSに強磁性相転移を引き起こす可能性があることも予測されました。磁気モーメントは1.0 μまで大きくなる可能性があります _B キャリアごと[38、39]。ただし、これらの調査のほとんどは理論計算に限定されています。磁気的挙動を理解し、実用的なアプリケーションのための堅牢な2D室温強磁性半導体を探索するには、さらなる研究、特に実験的作業が必要です。

固有の2Dマグネット

最近、2D vdWファミリーの別のメンバーである2Dマグネットが実験的に取得されました[19、41]。この画期的な進歩は、2D磁性の分野を探求するために、すぐに大きな注目を集めました。 Xuのグループは、最初にCrI ₃ 単分子層に至るまで、磁気光学カー効果（MOKE）技術による強い面外磁気異方性を伴うイジング強磁性を示します（図3a）[42]。さらに、CrI ₃ 単層および三層のCrI ₃ である、層に依存する磁性相を示します。 二重層が反強磁性である間、強磁性です。 Gong etal。別の2Dマテリアル、Cr ₂ を報告しました Ge ₂ Te ₆ 、これは原子層に固有の長距離強磁性秩序を持っています[43]。 CrI ₃ とは異なります 、Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ 小さな磁気異方性を持つ2Dハイゼンベルグ強磁性体であると報告されています。図3bに示すように、Cr ₂ の強磁性転移温度 Ge ₂ Te ₆ レイヤーの数に関連しています。もう1つの人気のある2D強磁性体は、Fe ₃ です。 GeTe ₂ 、これは、2つのTe原子層の間に挟まれた層状のFe / FeGe / Feで構成されるvdW強磁性金属です[44]。異常なホール効果は、Fe ₃ の磁性を研究するために使用されています。 GeTe ₂ 、結果はFe ₃ を示しています GeTe ₂ 強い磁気異方性を持ち、磁化方向はc軸に平行で、キュリー温度は230 Kです（図3c）[45]。ただし、これらの材料のキュリー温度は室温よりも低く、デバイスアプリケーションの大きな障害となっています。キュリー温度を室温より高くすることは、二次元磁性材料の実用化の前提条件です。研究者は、室温の強磁性単分子層1 T-VSe ₂ を準備しました。 分子線エピタキシー（MBE）による[41]。最近報告された数層1T-CrTe ₂ 316 Kという高いキュリー温度を示し[46]、将来的に2Dスピントロニクスデバイスの応用の可能性を提供します。 2D強磁性体に加えて、FePS ₃ などの2D反強磁性体が広く報告されています。 [47]、MnPS ₃ [48]、およびCrCl ₃ [49]。さらに驚くべきことに、Zhang Yuanboのチームは最近、固有の磁気トポロジカル絶縁体MnBi ₂ での磁場誘起QAHEを報告しました。 Te ₄ [50]。 MnBi ₂ Te ₄ は、層内強磁性と層間反強磁性を備えた反強磁性体です。量子輸送を精査することにより、元の5層MnBi ₂ における異常なホール効果の正確な量子化 Te ₄ フレークはμ以上の中程度の磁場で観察されました ₀ H 低温で〜6T（図3d）。

Huang et al。、Nature 546、271（2017 ）。 Copyright 2017 Nature Publishing Group [42]。 b Gong et al。、Nature 546、265（2017）の許可を得て複製。 Copyright 2017 Nature Publishing Group [43]。 c Fei et al。、Nat。の許可を得て複製。メーター。 17、778（2018）。 Copyright 2018 Nature Publishing Group [44]。 d Deng et al。、Science 367、895（2020）の許可を得て複製。 Copyright 2020 The American Association for the Advancement of Science [50]

固有の2D磁石。 a CrI ₃ の極磁気光学カー効果（MOKE）信号 単層。挿入図は、孤立した単分子層CrI ₃ の光学画像を示しています。 。 b 転移温度T _{C ∗} Cr ₂ の Ge ₂ Te ₆ さまざまな厚さの場合、カー測定から得られた青い四角のプロットと、理論計算から得られた赤い円のプロット。挿入図は、剥離したCr ₂ の光学画像を示しています。 Ge ₂ Te ₆ SiO ₂ 上の原子層 / Si。 c 厚さ12nmのFe ₃ で測定されたホール抵抗の温度依存磁場スイープ GeTe ₂ 端末。挿入図は、SiO ₂ 上の代表的な薄いFGTフレークの原子間力顕微鏡画像を示しています。 。 d 5層MnBi ₂ における磁場誘起QAHE Te ₄ サンプル。磁場に依存する R _yx さまざまな温度で。挿入図は、MnBi ₂ の結晶構造を示しています。 Te ₄ MnBi ₂ の数層フレークの光学画像 Te ₄ Al ₂ によって切断されます O ₃ -支援された角質除去法。 a

2Dスピントロニクスデバイス操作の基本機能

新たな2D材料の最近の開発といくつかの高度な特性評価技術により、2Dスピントロニクスの分野が急速に発展することが可能になりました[51,52,53]。スピントロニクスデバイスを実現するための重要な問題には、スピン電荷変換、スピン輸送、およびスピン操作が含まれます。スピン電流の効率的な生成と検出は、電気デバイスに代わる2Dスピントロニクスデバイスを開発する上での大きな課題です。スピン輸送は、長いスピン寿命と長距離スピン伝播を備えた適切な輸送チャネルを望んでいます。スピン電流を制御し、デバイスの機能を実現するには、スピン操作が必要です。

スピン-チャージ変換

電気スピン注入/検出や、SOCに由来するスピンホール効果とエーデルスタイン効果を利用するなど、スピンから電荷への変換を実現するための多くの方法が提案されています[54,55,56]。ただし、スピンホール効果は通常バルク材料で発生しますが、エーデルスタイン効果は通常界面効果と見なされます[55]。

「非局所的」および「局所的」測定は、チャネル材料への電気的スピン注入/検出を実行するために一般的に利用されます[14]。非局所測定（図4a）の場合、電極E2はスピンインジェクターとしての強磁性金属であり、E3はスピン検出器としての強磁性電極です。印加電流は電極E1からE2に流れ、E3とE4は拡散した純粋なスピン電流信号を検出するために使用されます。 E3とE4の間で測定された電圧の極性は、電極E2とE3の磁化構成に依存します。この方法では、電荷電流なしで純粋なスピン電流を得ることができますが、「ローカル」測定では、スピン電流と電荷電流の混合信号が得られます（図4b）。電極E2とE3の平行磁化配列と逆平行磁化配列の間の電圧差は、スピン輸送の信号と見なされます。

Han et al。、Nat。の許可を得て複製。ナノテクノロジー。 9、794（2014）。 Copyright 2018 Nature Publishing Group [14]。 c 、 d Mendes et al。、Phys。の許可を得て複製。レット牧師115、226601（2015）。 Copyright 2015 American Chemical Society [68]。 e 、 f Shao et al。、NanoLettの許可を得て複製。 16、7514（2016）。 Copyright 2016 American Chemical Society [71]

2D材料でのスピンと電荷の変換。 a 非局所測定形状による電気スピン注入と検出。 b 電気スピン注入と局所測定形状による検出。 c 強磁性絶縁体であるYIG上のグラフェンのスピンから電荷への変換。スピン電流は、YIGからのスピンポンピングから生成され、グラフェンで電荷電流に変換されます。 d YIG /グラフェン e で測定されたスピンポンピング電圧の磁場依存性 MX ₂ のSOT測定 / CoFeB二重層。 MX ₂ MoS ₂ を表します およびWSe ₂ 。 f MX ₂ の界面でのRashba–Edelstein効果（REE）によって誘発されたスピン蓄積の図 / CoFeBは外部電界下にあります。 a 、 b

ヒルら。最初に、軟磁性NiFe電極を使用したグラフェンへのスピンの注入が報告されました[57]。ただし、スピン注入効率は比較的低く、約10％と推定されます。これは、強磁性金属とグラフェンの間のコンダクタンスの不一致に起因する可能性があります。次に、一部の研究者は、Al ₂ などの絶縁バリアの使用を提案しました。 O ₃ または、界面のスピン依存抵抗率を調整し、スピン注入効率を高めるための層としてのMgO [58,59,60]ですが、高品質の酸化物層を成長させることは大きな課題です。酸化物層の成長技術を改善したり、TiO ₂ の層など、別の界面酸化物層に変更したりするために、いくつかの方法が使用されてきました。 またはHfO ₂ [61、62]。しかし、界面のスピン依存抵抗率は依然として根本的な問題であり、スピン注入効率が低くなります。 1つの2D断熱材である六方晶窒化ホウ素（h-BN）は、グラフェンと同様の結晶構造を持っています。理論的および実験的研究により、トンネルバリアとしてh-BNを使用すると、高品質の界面が生成され、グラフェンのスピン注入効率が大幅に向上することが示されています。数層のh-BNは、単層のh-BNよりも優れたスピン注入性能を示します[63、64]。それにもかかわらず、これらの研究結果は、実際の適用が可能になる前に埋められるべき大きなギャップをまだ残しています。最終的に、完全な（100％）スピン注入を実現するには、多くの研究が必要です。2D材料は、2D強磁性材料、2Dトンネルバリア、2D輸送チャネルで構成される2Dヘテロ構造など、有望な方向性を提供します。

（逆）Rashba–Edelstein効果は、強力なSOCに起因する界面効果であり、スピン電荷変換を実現するために利用できます[65]。固有のグラフェンのSOCはかなり弱いですが、近接効果を介して隣接する材料の強いSOCを使用することにより、効率的なスピン電荷変換を実現できます[66、67]。図4cに示すように、グラフェンが強磁性絶縁体YIGに隣接している場合、スピン電流はスピンポンピングによってYIG層で生成され、逆エーデルスタイン効果によってグラフェンの電荷電流に変換されます[68]。図4dは、YIG /グラフェンデバイスの電界の関数としてのスピンポンピング電圧曲線を示しています。スピンポンピング電圧は、グラフェンチャネルに垂直な磁場で検出できます。さらに、外部磁場がグラフェンチャネルに沿って回転する場合、スピンポンピング電圧はありません。さらに、グラフェン表面に適用されたイオン液体ゲーティングは、グラフェンの特性を明らかに変調して、YIG /グラフェンのスピンから電荷への変換効率を変えることができます[56]。

グラフェンとは異なり、強力なSOCを備えたTMDCは、スピン電荷変換を実現するための有望な材料であると考えられています[69、70]。単分子層TMDC（MoS ₂ ）の大きなスピン軌道相互作用（SOT） またはWSe ₂ ）/ CoFeB二重層構造は、Rashba-Edelstein効果によって引き起こされる電流誘起スピン蓄積によって生成されました（図4e、f）[71]。磁場のようなトルクと減衰のようなトルクは、第二高調波測定によって決定され、その結果は、大面積単層TMDCが磁化反転の効率が高いため、潜在的な用途があることを示しています。さらに、スピントルク強磁性共鳴（ST-FMR）の手法を使用して、TMDCのスピンおよび電荷変換を調査しました。たとえば、興味深いST-FMRの結果は、WTe ₂ の結晶対称性によってSOTを制御できることを示しています。 WTe ₂ で /パーマロイ二重層。 WTe ₂ の対称性の低い軸に沿って電流を流した場合 、面外減衰防止トルクを発生させることができます[72]。 TI表面状態でのスピン運動量ロック特性は、SOTを介して隣接する材料へのスピン電流注入を実現するのに役立ちます。スピン偏極方向と電荷電流方向の間には強い相関関係があるため、スピン方向はTIの電荷電流によって操作できます。スピン電荷変換の調査には、2次高調波測定、スピンポンピング、ST-FMRなどのさまざまな測定手法が使用されています。これらの測定結果は、TMDCやTIなどの2D材料で効率的なSOTを生成できることを示しています。

スピントランスポート

スピン輸送の鍵は、長いスピン拡散長とスピン緩和時間を持つ好ましいスピン輸送チャネルを得ることです。スピン緩和は運動量散乱によって引き起こされるため、SOCが弱いグラフェンはスピン輸送の理想的な材料と見なされています[14、73]。 Tombros etal。 [74] 2007年に非局所測定により、室温での横方向単一グラフェンスピンバルブで電子スピン輸送とスピン歳差運動を実現しました。図5a、bに示すように、非局所スピンバルブは電極としての4末端強磁性コバルトで構成されています。薄いAl ₂ O ₃ バリアとしての酸化物層、およびスピン輸送チャネルとしてのグラフェンシート。図5cの測定信号は、スピン注入とスピン検出用の強磁性電極が平行磁化を持っている場合、接点1と2によって測定された非局所抵抗が正の値を持つことを示しています。スピン注入とスピン検出用の強磁性電極が逆平行磁化を持っている場合、非局所抵抗は負の値を示します。ハンレスピン歳差運動は、スピン拡散長とスピン寿命を決定するために使用できます。図5dに示すように、スピン寿命（τ _sf ）およびスピン緩和長（λ _sf ）は、室温で横型シングルグラフェンスピンバルブでそれぞれ125psと1.3μmです。さらに、ゲートを使用して、スピン緩和長とスピン寿命を向上させることができます[75、76]。理論では、元のグラフェンのスピン寿命は1μsに達する可能性があると予測されましたが、報告された実験値はピコ秒から数ナノ秒の範囲です。

Tombros et al。、Nature 448、571（2007 ）。 Copyright 2007 Nature Publishing Group [74]。 e – h Avser et al。、Nat。の許可を得て複製。物理学13、888（2017）。 Copyright 2017 Nature Publishing Group [84]

横型スピンバルブにおけるスピン輸送。 a 非局所スピン輸送測定ジオメトリ。電流は電極3からAl ₂ を介して注入されます O ₃ グラフェンへのバリアであり、接触4で抽出されます。 b スピン輸送チャネルとして単層グラフェンを、4つの強磁性電極としてCoを使用した4端子スピンバルブの走査型電子顕微鏡写真。 c 4.2 Kでの非局所スピンバルブ信号。電極の磁気構成は、両方の掃引方向について示されています。 d 垂直磁場 B の関数として測定された非局所幾何学におけるハンレスピン歳差運動 _z 並列構成の場合。 e 黒リンスピンバルブの概略図。挿入図は、ヘテロ構造の概略図を示しています。 f デバイスの光学画像。 g 面内磁場の関数としての非局所スピンバルブ信号。インジェクター電極と検出器電極の相対的な磁化は垂直の矢印で示され、水平の矢印は磁場の掃引方向を表しています。 h 垂直磁場 B の関数として測定された非局所幾何学におけるハンレスピン歳差運動 _z 並列および逆並列構成の場合。挿入図は、印加された磁場の下でのスピン歳差運動を示しています。 a – d

スピン拡散長とスピン寿命を延ばすために多くの改良された方法が使用されており、一部のデバイスはすでにマイクロメートル範囲の長いスピン拡散長を示しています[13、77、78]。たとえば、SiC上にエピタキシャル成長させたグラフェンは移動度が高く、最大75％のスピン輸送効率と100 µmを超えるスピン拡散長を示します[79]。 h-BN /グラフェン/ h-BNヘテロ構造は長距離スピン輸送性能を示し、スピン拡散長は室温で30.5μmに達する可能性があります[13]。 2D材料のスピン輸送は、拡散/ドリフトの影響を受ける可能性があります。拡散/ドリフトは、電場を適用することで変調できます。 Ingla-Aynésetal。 [80]は、キャリアドリフトを使用することにより、h-BNカプセル化二層グラフェンで最大90μmのスピン緩和長を報告しました。ただし、固有のグラフェンの弱いSOCとゼロバンドギャップは、半導体スピンデバイスの見通しを制限します。黒リンは、かなりの直接バンドギャップと1000 cm ² の室温移動度を持っています。 V ^-1 s ^-1 、これは理想的な半導体スピントロニクス材料になります[81,82,83]。 Avsar etal。 [84]は、極薄の黒リンシートに基づいて横型スピンバルブを構築し、非局所的な形状を介して室温でのスピン輸送特性を測定しました（図5e、f）。図5gの電子スピン輸送は、強磁性体の磁化方向が切り替わると、非局所抵抗がΔ R 変化することを示しています。 ≈15Ω。これに加えて、Hanleスピン歳差運動は、最大4 nsのスピン緩和時間と6µmを超えるスピン緩和長を示します（図5h）。黒リンのスピン輸送は電荷キャリア濃度と密接に関係しているため、電界をかけることでスピン信号を制御できます。

スピン操作

スピンの操作を実現することは、効果的なデバイス機能化の鍵です。ゲート電圧を印加すると、材料中のキャリア濃度を制御でき、スピン信号を操作するために使用できます[85、86]。ゲート電圧を印加することによるスピン輸送パラメータの調整を実現するために、スピン輸送チャネルとしての様々な2D材料が研究されてきた。たとえば、バイアス誘起グラフェンは、強磁性体/二重層h-BN /グラフェン/ h-BNヘテロ構造で最大100％のスピン注入と検出分極を得ることができます[64]。黒リンをベースにしたゲート調整可能なスピンバルブは、ナノ秒の範囲のスピン緩和時間と長いスピン緩和長に達することができます[84]。半導体MoS ₂ の場合 チャネルにゲート電圧を印加しても、200nmを超える比較的長いスピン拡散長を得ることができます[70]。ただし、適切なスピン場効果デバイスには明確なスイッチング比が必要です。これは、グラフェンや半導体2D材料にとっても課題です[87、88]。

この問題を解決するために、原子的に薄いグラフェンと半導体MoS ₂ に基づくvdWヘテロ構造 ゲート電圧を印加することによりスピン場効果スイッチを実現するために開発されました（図6a）[89]。この構造では、グラフェンの優れたスピン輸送特性とMoS ₂ の強力なSOCがあります。 結合されます。印加されるゲート電圧により、MoS ₂ の導電率が変化する可能性があります。 スピン輸送中のスピン吸収により、グラフェンチャネルのスピン電流がオン状態とオフ状態の間で切り替わります（図6b）。別の研究努力により、グラフェン/ MoS ₂ に関する同様のレポートが作成されました。 vdWヘテロ構造。このレポートでは、グラフェン/ MoS ₂ のスピン電流とスピン寿命の電気ゲート制御 ヘテロ構造は室温で達成されました[90]。さらに、そのレポートは、ゲート調整可能なスピンパラメータのメカニズムがMoS ₂ でのショットキーバリアのゲート調整に起因することを指摘しました。 /グラフェンインターフェースとMoS ₂ チャネルの導電率。

ソースの連絡先。 b 効果的な B _SO V の関数として _g 。挿入図は、 V の下でのCr-TI層の表面キャリア分布を示しています。 _g =− 10 V、+ 3 V、および+ 10V。 a – c Yan et al。、Nat。の許可を得て複製。コミュン。 7、1（2016）。 Copyright 2016 Nature Publishing Group [89]。 d 、 e Fan et al。、Nat。の許可を得て複製。メーター。 13、699（2014）。 Copyright 2014 Nature Publishing Group [95]。 f 、 g Fan et al。、Nat。の許可を得て複製。ナノテクノロジー。 11、352（2016）。 Copyright 2016 Nature Publishing Group [96]

スピン操作。 a グラフェン/ MoS ₂ のvdWヘテロ構造に基づく2Dスピン場効果スイッチの概略図 典型的な非局所磁気抵抗測定で。 b 非局所抵抗 R _nl R を切り替えます _P および R _AP Co電極の平行および逆平行磁化配向用。スピン信号はΔ R として計算されます _nl = R _P − R _AP 。 c 青い円のプロットは、スピン信号Δ R のゲート変調を示しています。 _nl 。黒の実線は、MoS ₂ のシート導電率を表しています。 V の関数として _g 。挿入図は、MoS ₂ のオフ状態とオン状態でのスピン電流経路を示しています。 。 d CrドープTI二重層ヘテロ構造におけるSOT誘起磁化スイッチングの概略図。挿入図は、ホールバーデバイスと測定設定の図を示しています。 e 一定の面内外部磁場を印加した状態での1.9Kでの面内直流によるSOT誘起磁化スイッチングの実験結果 B _y 測定中。挿入図は、図の丸で囲んだ部分の拡大版を示しています。 f Al ₂ のホールバー構造の3D概略図 O ₃ 上部Auゲート電極を備えた/ Cr-TI / GaAsスタック。 V のゲート電圧 _g トップゲートと

の間に適用できます

電流誘起SOTは、スピンを操作するためのもう1つの効率的な戦略と見なされています。重金属内のスピンホール効果または界面でのラシュバ効果によって生成されるスピン電流は、強磁性体にスピントルクを及ぼし、それによって磁化スイッチングを実現することができます[91,92,93]。 SOTを介した効率的な電流誘起磁化スイッチングは、革新的なスピントロニクスアプリケーションにつながる可能性があります。強力なSOCと時間反転対称性の破れにより、磁気的にドープされたTIは、SOTを介してスピン信号を操作するための有望な材料と見なされています[94]。 Wangのグループは、エピタキシャルCrドープTI（Bi _0.5 ）の面内電流によって誘導される磁化スイッチングを最初に実験的に実証しました。 Sb _0。 5） ₂ Te ₃ /(Cr_0.08 Bi _0.54 Sb _0.38 ） ₂ Te ₃ 二分子膜（図6c）[95]。 CrドープTI膜のスピンホール角は140から425の範囲で、重金属/強磁性ヘテロ構造のスピンホール角よりもほぼ3桁大きく、臨界スイッチング電流密度は8.9×104 A cm ^{未満です。 −2} 1.9 Kで（図6d）。さらに、このチームは、Crをドープした（Bi _0.5 ）におけるSOTの効果的な電界制御についても報告しました。 Sb _0.42 ） ₂ Te ₃ GaAs基板上にエピタキシャル成長させた薄膜（図6e）[96]。磁化スイッチングに対するゲートの影響は、定電流下でゲート電圧をスキャンし、膜に面内磁場を印加することによって調査されました（図6f）。 SOT強度は、薄膜のスピン偏極表面電流に強く依存し、適切なゲート電圧範囲内で変調することができます。 TIベースの磁気構造におけるSOTの効果的な電界制御は、磁気メモリおよびロジックデバイスに応用できる可能性があります。

さらに、出現した2D磁石の電気的制御も調査されました。たとえば、電場または静電ドーピングを利用すると、二重層CrI ₃ の磁気変換を実現できます。 反強磁性から強磁性[97]。数層Cr ₂ の保磁力と飽和場 Ge ₂ Te ₆ イオン液体ゲーティングを介して調節することができます[98]。磁性半導体とは対照的に、静電ドーピングを使用して、強磁性金属のキャリア濃度、およびFe ₃ の強磁性転移温度を制御できます。 GeTe ₂ イオンゲートを介して劇的に室温まで上げることができます[99]。 2D磁石の出現と研究は、次世代の2Dスピントロニクスデバイスを設計するための新しいプラットフォームを提供します。

2Dスピントロニクスのアプリケーション

2D材料は、次世代の2Dスピントロニクスデバイスのエンジニアリングに大きな可能性を示します。高い電子/正孔移動度、長いスピン寿命、および長い拡散長を備えたグラフェンは、スピンチャネルの有望な候補です。さらに、グラフェンは、吸着原子または磁気近接効果を導入することによって磁性を得ることができます[23、25]。近接誘起強磁性グラフェンのキャリア密度は、ゲーティングによって変調でき、異常なホール効果伝導率のフェルミエネルギー依存性を観察できます。この結果は、2Dディラックフェルミオンシステムにおける異常なホール効果の物理的起源を理解するのに役立ちます。 TIで強磁性の表面状態を実現すると、界面磁気電気効果[33]や電界誘起画像磁気単極子[34]など、いくつかの顕著な現象が発生すると予測されます。ただし、TIで磁性を誘導する現在の技術は低温に限定されているため、アプリケーションの可能性が制限されています。有用なアプリケーションの重要な要件は、TIでの室温強磁性の生成です。 PNRの結果は、Bi ₂ Se ₃ / EuS二重層は界面に強磁性秩序を持っており、このトポロジー的に強化された界面強磁性は室温まで持続する可能性があります[32]。このような設計されたTIのトポロジカル磁気電気応答により、電場による磁化ダイナミクスの効率的な操作が可能になり、将来のスピンベースの技術にエネルギー効率の高いトポロジカル制御メカニズムが提供されます。

STTおよびトンネル磁気抵抗（TMR）効果は、書き込みおよび読み取り操作の代替アプローチを提供します。 STT効果とは、スピン角運動量の伝達による強磁性体の磁化の再配向を指します。 SOTを介した効率的な電流誘起磁化スイッチングは、革新的なスピントロニクスアプリケーションにつながる可能性があります[71、100]。強力なSOCと時間反転対称性の破れにより、磁気的にドープされたTIは、SOTを介してスピン信号を操作するための有望な材料と見なされています[93]。 TMRは、磁化に依存する磁気抵抗挙動を指します。高いTMR比は、より高い感度とより低いエネルギー消費を備えたスピントロニクスデバイスを実現するための鍵です。高品質の結晶と鋭い界面を備えた2D材料は、スピンフィルタリングなどのいくつかの新しい機能を実現できます。 2D vdW MTJは、2D磁気CrI ₃ で構成されています。 スピンフィルタリングト​​ンネルバリアとしての層。これは、19,000％増加するTMRの値に達します[101]。グラフェンベースおよびその他の2Dヘテロ構造の製造における進歩により、長距離スピン拡散（最大数十マイクロメートル）の最適化と、スピン電流の方向性ガイドが実現しました[13、64]。次世代MRAMを開発するために、スピン操作、電気ゲーティング[56]、電場誘導ドリフト[80]、SOT誘導スイッチング[95、96]、および磁気近接効果[25、32]が検討されています。

メモリストレージおよびロジックアプリケーション用の2Dスピントロニクスデバイス

新しい2Dスピントロニクスデバイスを探すために多大な努力が払われてきました。機能に応じて、2Dスピントロニクスデバイスはメモリストレージまたはロジックデバイスとして分類できます。ここでは、2D磁気トンネル接合（MTJ）、2Dスピン電界効果トランジスタ（sFET）、2Dスピン論理ゲートなどのいくつかの重要な2Dスピントロニクスデバイスに焦点を当てます。

2D MTJ

GMRの発見は、2Dスピントロニクスへの扉を開きます。ただし、TMRはGMRよりも磁気抵抗比が強いため、TMRは磁気ストレージアプリケーションで大きな可能性を秘めています。 TMR構造は、2つの強磁性層とMTJと呼ばれる中間絶縁層で構成されています。トンネリング確率は、強磁性層のフェルミエネルギー付近の状態密度に関連しています。 2つの磁性層が平行である場合、各スピン状態の状態密度が類似していると、トンネリングに利用できる状態が増え、抵抗状態が低くなります。一方、層が逆平行である場合、ソースとシンクのスピンチャネル間の不一致は高抵抗状態になります。従来の薄膜MTJのいくつかの問題は、断熱バリアの品質や熱安定性など、高いTMR比の達成を制限します[102]。高品質の結晶と鋭いインターフェースを備えた2D材料は、これらの問題に対処し、スピンフィルタリングなどのいくつかの新しい機能を実現するための有望なルートを提供する可能性があります。

Karpan etal。 2007年に計算手段によって垂直MTJの障壁としてグラフェン層を最初に調査しました[103]。彼らは、グラフェンのバンド構造とニッケルのバンド構造の一致を提案し、100％に近い大きなスピン偏極を予測しました。これにより、最大500％の大きなTMRが生じる可能性があります。ただし、その後の実験結果は、グラフェンに基づくMTJが非常に低いTMRを示すことを示しています。単層または二層グラフェンと比較して、数層MTJは、グラフェンベースのMTJで最大31％の最高の記録されたTMR信号を保持します[11、15]。グラフェンに加えて、絶縁性のh-BNや半導体のTMDCなど、他のいくつかの2D材料がトンネル障壁層として検討されてきました[104、105]。 Piquemal-Banci etal。 [63]化学蒸着（CVD）法を使用して、h-BN単分子層をFe上に直接成長させ、TMRの大きなスピン信号と P <のスピン偏極を観察して、Fe / h-BN / Co接合を作製しました。 / i> 〜17％。 MoS ₂ に基づくMTJ またはWSe ₂ TMR信号の数パーセントしかないと報告されました。高いTMR比を達成するには、さらなる調査が必要です。

新たな2D磁性材料は、多くの驚くべき特性を示します。二重層CrI ₃ の磁化が 異なる磁気構成に切り替えられ（図7a）、MTJはCrI ₃ に基づいています スピンフィルタリング効果によって生成された巨大なTMRを示します[101、106、107]。図7bに示すように、2D vdWMTJは2D磁気CrI ₃ で構成されています。 スピンフィルタリングト​​ンネルバリアとしての層、接触電極としてのグラフェン、およびデバイスの劣化を防ぐためのカプセル化層としてのh-BN。輸送結果は、TMRがCrI ₃ として強化されていることを示しています。 層の厚さが増加し、4層のCrI ₃ で19,000％の値に達します。 低温でのMTJベース（図7c）[101]。その後、Xuのグループは、4層CrI ₃ に基づくデュアルゲートMTJ構造のゲート調整可能なTMRも報告しました。 。 TMRは、固定磁場でゲート電圧を変化させることにより、17,000〜57,000％に変調できます[108、109]。さらに、数層のFe ₃ GeTe ₂ 強磁性電極として機能し、Fe ₃ のTMR GeTe ₂ / h-BN / Fe ₃ GeTe ₂ ヘテロ構造は低温で160％に達する可能性があります[110]。さらに興味深いことに、Zhou etal。 VSe ₂ の理論的調査を報告しました / MoS ₂ / VSe ₂ ヘテロ接合、ここでVSe ₂ 単分子層は室温の強磁性体として機能し、大きなTMRは300 Kで846％に達する可能性があります[111]。一方、MoS ₂ の強いスピンホール伝導率 VSe ₂ の磁化を切り替える可能性を保持します SOTによるフリーレイヤー。そのため、彼らは、2Dスピントロニクスデバイスに新しい機会を提供する、より高速な読み取りおよび書き込み操作を備えたSOT vdWMTJの概念を提唱しました。

Song et al。、Science（2018）の許可を得て複製。 Copyright 2018 The American Association for the Advancement of Science [101]。 c 、 d Wen et al。、Phys。の許可を得て複製。牧師Appl。 5、044003（2016）。 Copyright 2016 American Chemical Society [118]

2Dスピントロニクスデバイス。 a 二分子膜CrI ₃ の磁気状態 異なる外部磁場で。 b 二分子膜CrI ₃ を備えた2DスピンフィルターMTJの概略図 グラフェン接触の間に挟まれています。 c 二分子膜CrI ₃ のトンネル電流 選択した磁場でのsf-MTJ。上の挿入図はデバイスの光学画像を示し、下の挿入図はさまざまな磁場での磁気構成の概略図を示しています。 d 提案された2DXORスピン論理ゲートの図。A、B、およびMは、スピン輸送チャネルの上部にある強磁性電極です。 私 _s および私 _out それぞれ注入電流と検出電流を示します。電極の磁化は入力論理1と0です。検出された電流 I _out ロジック出力として機能します。 e 私 _out H の関数として測定 。垂直の矢印はAとBの磁化状態を示しています。左上の挿入図はXOR論理演算の表を示しています。 a 、 b

2D sFET

DattaとDasは、1990年にsFETのアイデアを最初に提案しました[112]。 sFETは、ソースとシンクの強磁性電極、および電気ゲートで制御できる2次元電子ガス（2DEG）チャネルで構成されています。ゲート電圧はスピン歳差運動を引き起こし、その結果、チャネル上の電流のスピン偏極が変化する可能性があります。デバイスを流れる電流の切り替えに必要なエネルギーと時間はわずかであるため、sFETは低消費電力と高速コンピューティング速度を備えた2Dスピントロニクスデバイスであることが期待されています。

前のセクションで述べたように、キャリア濃度が高く、SOCが弱いグラフェンは、スピン輸送チャネルとして有望な候補であると考えられています[113]。ミケッティら。 [76]は、二重ゲート電界効果トランジスタ構造を設計しました。この構造では、2層グラフェンがトランスポートチャネルとして機能します。理論的分析は、グラフェンチャネル内のキャリアのスピン歳差運動は、差動ゲート電圧の印加によってオンとオフを切り替えることができることを示しています。実験的に、Avsar等。最初に、誘電体層としてh-BNを備えたデュアルゲートグラフェン構造が報告されました。この構造では、垂直電界を加えることにより、2層グラフェンチャネル内のスピン電流の伝播を制御できます[114]。輸送結果は、キャリア濃度が増加するにつれてスピン緩和時間が単調に減少し、スピン信号が急速に減少し、最終的に電荷中性点の近くで検出できなくなることを示しています。適切なスピン場効果デバイスには、明確なスイッチング比が必要です。これは、グラフェンにとっての課題です。

この問題を解決するには、グラフェン/ MoS ₂ ヘテロ構造は、ゲート電圧を印加することによってスピン場効果スイッチを実現するために開発されました。 2つの独立したグループは、印加されたゲート電圧がMoS ₂ の導電率を変化させる可能性があることを示しました。 そして、スピン輸送中にスピン吸収を引き起こし、グラフェンチャネルのスピン電流をオン状態とオフ状態の間で切り替える[89]。チャネル内のスピン注入効率が低く、スピン緩和が速いため、2DsFETデバイスで高いコンダクタンス比と低いコンダクタンス比を実現することは困難です。しかし、2D磁性結晶の発見は、新しい2Dスピントロニクスデバイスを探索する新しい機会を提供します。 Kin Fai Makのグループは、デュアルゲートグラフェン/ CrI ₃ に基づくスピントンネル電界効果トランジスタ（sTFET）を報告しました。 /グラフェンヘテロ構造[115]。二分子膜CrI ₃ を使用する 磁気トンネルバリアとして、印加されたゲート電圧は二重層CrI ₃ の磁化構成を切り替えることができます スピンフリップ遷移近くの一定磁場下での層間反強磁性状態から強磁性状態へ。従来のスピントランジスタとは異なり、これらのデバイスは、チャネル内のスピン電流の信号ではなく、磁化構成の切り替えを電気的に制御することに依存しています。この手法により、sTFETデバイスは400％に近い大きな高低コンダクタンス比を達成でき、メモリアプリケーションを探索するための新しいアプローチを提供します。

2Dスピン論理ゲート

DeryとShamは、「排他的論理和」（XOR）ゲートに基づくスピン論理デバイスを最初に報告しました[116]。 XOR論理ゲート構造には、半導体チャネルと3つの強磁性端子が含まれます。 XOR論理演算は、入力端子のさまざまな磁化構成によって引き起こされるさまざまなスピン蓄積によって実装できます[117]。実験的に、提案された3端子XOR論理ゲートは、室温でグラフェンスピントロニクスデバイスの論理演算を実現しました[117,118,119]。図7cに示すように、このデバイスには、チャネルとして単層グラフェンと、MgOトンネルバリアを備えたA、B、およびMCo電極で構成される3つの強磁性端子が含まれています。電極AとBの磁化は、入力状態0または1を表し、電極Mの電流は出力状態として機能します。入力電極AとBの磁化は、印加される外部磁場を変化させることによって切り替えられます。これにより、異なる出力電流に対応して、M電極に異なるスピン蓄積が生じます。入力A電極と入力B電極が出力M電極に対して同じ寄与をしている場合、出力強磁性端子の電流は、入力強磁性端子の磁化が逆平行（01または10）の場合にのみ検出可能な値になります。入力強磁性端子の磁化が平行（00または11）の場合、出力電流はほぼゼロになります。したがって、XOR論理演算を実行できます（図7d）。

Dery etal。さらに、2つのXORゲート（XOR（A、X）とXOR（B、Y））を共有出力端子Mと組み合わせた5端子構造の再構成可能な磁気ゲートを設計しました[119]。 ３端子ＸＯＲ論理ゲートと同様に、入力電極の異なる磁気構成は、出力端子Ｍにおける異なるスピン蓄積を引き起こし、その結果、異なる出力信号をもたらす。類推すると、これらのXORゲートの有限数を使用して、任意のブール論理関数を実装できます。その後、他のグループは、グラフェンスピン論理ゲートを構築することにより、この理論設計を実験的研究に拡張しました[120、121、122]。 2Dスピンロジックゲートのさまざまなモデリング、シミュレーション、および実験的調査は、実用的なスピンロジックアプリケーションの構築に向けた進歩を加速するのに役立ちました。ただし、グラフェンスピン論理ゲートの研究には2つの重要な問題が残っています。 1つ目は、2つの入力端子の出力端子への寄与のバランスを取ることです。もう1つは、出力に対するバックグラウンド信号の影響を排除することです。