Ученые рассчитали эффективность возникновения спиновой поляризации на графене при его контакте с модифицированными слоями дисульфида или диселенида молибдена (MoS2/MoSe2). В таких гибридных материалах спиновая поляризация электронов составила от 15 до 60% в зависимости от типа примесных атомов в дихалькогенидах молибдена. Исследование, поддержанное грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), поможет расширить класс перспективных материалов для спиновой электроники. Результаты работы опубликованы в журнале Nanoscale.
«Предложенные нами структуры могут представлять интерес для применения в спинтронных приборах, например, в качестве элемента спинового фильтра. Устройства, работающие на принципе управления собственным моментом импульса электрона, то есть спином, будут обладать большей эффективностью передачи информации и меньшим энергопотреблением», — рассказывает Дмитрий Квашнин, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля (ИБХФ) РАН.
Спинтроника, или спиновая электроника, — активно развивающаяся область науки двух последних десятилетий. В отличие от обычной электроники в спинтронике переключение между состояниями возможно при помощи генерации и детектирования спинового тока электронов. Генерация спинового тока тем эффективнее, чем выше значение спиновой поляризации материала на уровне Ферми. Поляризация 100% означает, что все проводящие электроны в веществе имеют спины одного направления, тогда как 0% означает, что электронов со спином «вверх» столько же, сколько и со спином «вниз». Спиновый ток очень трудно сохранить: нужно, чтобы электрон прошел наибольший путь и не изменил свой спин. Таким свойством обладают не все материалы. Например, графен, представляющий собой лист графита толщиной в один атом углерода, не имеет спиновой поляризации. Тем не менее графен обладает уникальным свойством — максимальной подвижностью носителей заряда среди всех известных веществ.
В своей работе ученые из ИБХФ РАН хотели уложили графен на дополнительный слой, обладающий спиновой поляризацией, и получить таким образом спиновую поляризацию на графене. Они столкнулись с проблемой выбора подходящего материала: большинство образует сильную связь с графеном, что приводит к изменению его структуры и уменьшению электронной проводимости. Тем не менее, им удалось избежать образования сильной связи. В качестве материала для дополнительного слоя ученые использовали так называемые ван-дер-ваальсовы гетероструктуры, в которых связь с листом графена возможна только благодаря слабым ван-дер-ваальсовым силам. Такими материалами являются, например, сульфиды и селениды переходных металлов.
Сульфиды и селениды металлов не обладают спиновой поляризацией сами по себе, как и графен. Однако известно, что так называемые дефекты замещения в дисульфиде или диселениде молибдена (MoS2/MoSe2) приводят к возникновению в запрещенной зоне (области энергий, которыми не может обладать электрон в бездефектном кристалле) внедренных уровней, содержащих только один электрон с фиксированным спином. Это значит, что материал приобретает спиновую поляризацию. Ученые предложили материал-подложку для графена на основе дисульфидов и диселенидов молибдена с примесными атомами галогенов (I, Br, Cl, F).
«Такие материалы объединяют уникальные свойства слабо связанных гетероструктур из графена и дихалькогенидов переходных металлов (MoS2/MoSe2), а различные примеси галогенов позволяют настраивать физико-химические свойства материала, такие как спиновая поляризация на графене», — рассказывает младший научный сотрудник ИБХФ РАН Екатерина Суханова.
Исследователи провели компьютерное моделирование спиновых свойств каждого гибридного материала: графена с MoS2, а также графена с MoSe2, с каждой из четырех примесных добавок — атомов иода (I), брома (Br), хлора (Cl) или фтора (F). Оказалось, у материала графен/MoSe2 максимальная спиновая поляризация составляет 60% в случае примесей атомов йода, тогда как минимальная поляризация равна 15%, если примесный атом — фтор. У материала графен/MoS2 спиновая поляризация на графене ниже и равна 20% для иода и 0% для фтора.
«Мы показали прямую зависимость между спиновой поляризацией и способностью примесных галогенов делиться своим электроном с окружающими атомами. Например, йод охотнее отдает свой электрон окружению, чем фтор. В этой же работе мы получили зависимость спиновой поляризации от параметра, указывающего на долю электронов, переданных от слоя MoS2 или MoSe2 на слой графена. Для материалов с MoS2 получились более низкие значения спиновой поляризации. Это можно объяснить тем, что сера охотнее принимает электроны от галогенов, и поэтому доля электронов, которые можно передать графену, меньше», — заключил соавтор работы Захар Попов, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля.