Film sottili magnetici NiFe che compongono nanostrutture di MoS2 per applicazioni spintroniche

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9809 (2022) Citare questo articolo

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Dimostriamo uno strato di nanostruttura fatto di nano-scaglie di MoS2 coniugate a film sottile Ni80Fe20 (permalloy:Py). Gli strati sono realizzati sulla base di una co-deposizione in un unico passaggio di Py e MoS2 da un'unica soluzione in cui coesistono scaglie di Ni ionico e Fe e MoS2. Film sottili sintetizzati con scaglie di MoS2 mostrano una crescente coercività e un potenziamento dell'effetto Kerr magneto-ottico. La larghezza della linea di risonanza ferromagnetica e il parametro di smorzamento sono aumentati significativamente rispetto a quelli dello strato Py a causa della presenza di MoS2. La spettroscopia Raman e la mappatura elementare vengono utilizzate per mostrare la qualità del MoS2 all'interno del film sottile Py. Il nostro metodo di sintesi promette nuove opportunità per la produzione elettrochimica di dispositivi funzionali basati sulla spintronica.

Recenti risultati promettenti nel campo della spintronica, in particolare nei film sottili magnetici coniugati a materiali bidimensionali (2D), hanno reso questo argomento interessante per studi fondamentali per esplorare il loro importante ruolo nei futuri dispositivi di memoria e di calcolo basati sulla spintronica1,2,3,4,5 . Il fenomeno fondamentale che deriva in tali strutture è l'interazione spin-orbita (SOI)6,7. Per trarre vantaggio dal SOI nei dispositivi spintronici, materiali con elevato accoppiamento spin-orbita (SOC), principalmente metalli pesanti come Pt ​​e Ta8, vengono utilizzati nei dispositivi a contatto con film sottili magnetici. Inoltre, a causa dei recenti sviluppi nel campo dei materiali 2D, viene posta particolare attenzione all'implementazione dei materiali 2D con le loro proprietà interessanti invece di quelli dei metalli pesanti9,10 con un elevato SOC. Molti studi hanno dimostrato l'uso efficace dei dichalcogenuri di metalli di transizione (TMDC) in contatto con film sottili ferromagnetici per migliorare il SOI, indurre anisotropia superficiale, ecc.11,12. Abbiamo recentemente dimostrato che l'anisotropia magnetica può essere regolata dal MoS2 sulla superficie di film sottili di Py13 e abbiamo anche previsto che l'anisotropia interfacciale possa essere modificata in Co/fosforene nero14. Qui, dimostriamo in alternativa le proprietà magnetiche del cambiamento di Ni80Fe20 mediante l'incorporazione di scaglie sottili di MoS2. Ciò mostra che l'intero singolo film sottile ferromagnetico possiede proprietà magnetiche intrinseche indotte dal SOC.

La fabbricazione di film sottili per dispositivi spintronici basati su tecniche fisiche come lo sputtering e l'evaporazione termica ha mostrato le migliori prestazioni15,16. Inoltre, il metodo di elettrodeposizione si è rivelato molto promettente nella produzione di valvole di spin con un numero molto elevato di ripetizioni di strati (oltre 100 strati ripetuti17) e anche di nanofili funzionali per dispositivi caloritronici di spin18,19,20. Tuttavia va detto che l'elettrodeposizione non ha la capacità di fornire film ultrasottili senza vuoti o di creare multistrati di diversi tipi di materiali in un'unica crescita21. L'implementazione di materiali 2D a contatto con film sottili ferromagnetici è stata impegnativa22,23 e tali strutture sono realizzate trasferendo gli strati 2D così come realizzati sugli strati ferromagnetici24. Oltre al metodo di fabbricazione in più fasi, i contatti dei materiali sono scadenti e ciò ne limita finora la riproducibilità e la scalabilità25. Pertanto, per ottenere una resa e una funzionalità più elevate è necessario sviluppare un nuovo metodo di fabbricazione per realizzare l'eterostruttura di materiali 2D/strati ferromagnetici.

In questo lavoro utilizziamo il metodo dell'elettrodeposizione per la fabbricazione di film magnetici Py e presentiamo la co-elettrodeposizione di scaglie sottili di MoS2 con elementi ionici della soluzione. La spettroscopia Raman indica la riuscita incorporazione di sottili scaglie di MoS2 all'interno del film magnetico cresciuto. Le proprietà magnetiche dello strato con scaglie di MoS2 mostrano differenze importanti con lo strato ferromagnetico nudo, tra cui una maggiore coercività magnetica e parametri di smorzamento che sono direttamente correlati all'aumento del SOC del mezzo. I nostri risultati indicano che il nostro metodo di fabbricazione ha portato ad una buona vicinanza tra il MoS2 e il materiale magnetico per indurre SOC nel ferromagnete. Il nostro metodo ha la possibilità di essere utilizzato per la crescita di gradienti o multistrati del materiale investigato attraverso il controllo delle condizioni di crescita come la tensione/corrente di crescita applicata.