KR102310181B1 - Spin device including 2-dimentional magnetic material - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 스핀 소자는, 제1 전극층; 제2 전극층; 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층의 사이에 위치하는 절연층; 및 상기 제1 전극층과 상기 절연층의 사이, 또는 상기 절연층과 상기 제2 전극층의 사이에 위치하며, 도핑이 제어 가능한 이차원 자성체층을 포함한다.A spin device according to an embodiment of the present invention includes: a first electrode layer; a second electrode layer; an insulating layer positioned between the first electrode layer and the second electrode layer; and a two-dimensional magnetic material layer positioned between the first electrode layer and the insulating layer or between the insulating layer and the second electrode layer, the doping of which is controllable.

Description

이차원 자성체를 포함하는 스핀 소자{SPIN DEVICE INCLUDING 2-DIMENTIONAL MAGNETIC MATERIAL}Spin element containing two-dimensional magnetic material {SPIN DEVICE INCLUDING 2-DIMENTIONAL MAGNETIC MATERIAL}

본 발명은 이차원 자성체를 포함하는 스핀 소자에 관한 것으로, 특히 이차원 자성체의 자기 이방성을 용이하게 제어하기 위한 것이다.The present invention relates to a spin device including a two-dimensional magnetic material, and in particular, to easily control the magnetic anisotropy of the two-dimensional magnetic material.

최근, 자성 물질의 자화 방향을 제어함으로써 정보를 저장하는 방식의 스핀 소자를 이용하는 기술이 널리 이용되고 있다.Recently, a technique using a spin element that stores information by controlling the magnetization direction of a magnetic material has been widely used.

이와 관련하여, 한국등록특허 제10-1967352호는, 기판 상에서 서로 수직하는 제 1 방향과 제 2 방향으로 배열된 하부 자성 패턴들; 상기 제 1 방향으로 배열된 적어도 둘 이상의 상기 하부 자성 패턴들과 상기 제 2 방향으로 배열된 적어도 둘 이상의 상기 하부 자성 패턴들을 공통으로 덮는 상부 자성막; 및 상기 하부 자성 패턴들과 상기 상부 자성막 사이에 개재된 터널 배리어막을 포함하는 자기 메모리 소자를 개시하고 있다.In this regard, Korean Patent Registration No. 10-1967352 discloses, on a substrate, lower magnetic patterns arranged in a first direction and a second direction perpendicular to each other; an upper magnetic layer that commonly covers the at least two or more lower magnetic patterns arranged in the first direction and the at least two or more lower magnetic patterns arranged in the second direction; and a tunnel barrier layer interposed between the lower magnetic patterns and the upper magnetic layer.

이와 별개로, 그래핀 등 이차원 물질에 관한 연구가 최근 활발히 이루어지고 있으며, 나노기술, 소자 연구에 있어 혁신적인 성과를 보이고 있다. 금속, 부도체, 반도체, 초전도체 등, 다양한 성질의 이차원 물질의 발견으로 이차원 소재를 활용한 여러 전자소자, 광소자 등이 개발되고 있다.Separately, research on two-dimensional materials, such as graphene, has been actively conducted recently, and innovative results are shown in nanotechnology and device research. With the discovery of two-dimensional materials with various properties, such as metals, insulators, semiconductors, and superconductors, various electronic devices and optical devices using two-dimensional materials are being developed.

그러나, 이차원 물질 중 이차원 자성체를 스핀 소자에 적용하려는 시도는 거의 이루어지지 않고 있다. However, few attempts have been made to apply a two-dimensional magnetic material among two-dimensional materials to a spin device.

특히, 이차원 자성체는 자기 이방성이 크기 때문에, 스핀 스위칭시 큰 전력이 소모되며, 이는 스핀 소자에 이차원 자성체를 이용하는데 걸림돌이 될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, Fe3GeTe2의 스핀 스위칭을 위해서는 약 0.4~1T가 필요하다.In particular, since the two-dimensional magnetic material has high magnetic anisotropy, a large amount of power is consumed during spin switching, which may become an obstacle to using the two-dimensional magnetic material for a spin device. For example, as shown in Figure 1, Fe 3 GeTe 2 For spin switching of about 0.4 ~ 1T is required.

본 발명은 이차원 자성체의 자기 이방성을 낮춤으로서 제어를 용이하게 하는 이차원 자성체를 포함하는 스핀 소자를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a spin device including a two-dimensional magnetic material that facilitates control by lowering the magnetic anisotropy of the two-dimensional magnetic material.

본 발명의 실시예에 따른 스핀 소자는, 제1 전극층; 제2 전극층; 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층의 사이에 위치하는 절연층; 및 상기 제1 전극층과 상기 절연층의 사이, 또는 상기 절연층과 상기 제2 전극층의 사이에 위치하며, 도핑을 제어할 수 있는 이차원 자성체층을 포함한다.A spin device according to an embodiment of the present invention includes: a first electrode layer; a second electrode layer; an insulating layer positioned between the first electrode layer and the second electrode layer; and a two-dimensional magnetic layer positioned between the first electrode layer and the insulating layer or between the insulating layer and the second electrode layer and capable of controlling doping.

상기 제1 전극층, 상기 제2 전극층 및 상기 절연층은 각각 이차원 층상 구조를 갖고, 상기 제1 전극층, 상기 제2 전극층, 상기 절연층 및 상기 자성체층의 면(plane)들은 서로 평행할 수 있다.The first electrode layer, the second electrode layer, and the insulating layer may each have a two-dimensional layered structure, and planes of the first electrode layer, the second electrode layer, the insulating layer, and the magnetic layer may be parallel to each other.

상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 그래핀일 수 있다.The first electrode layer and the second electrode layer may be graphene.

상기 절연층은, hBN(hexagonal Boron Nitride)일 수 있다.The insulating layer may be hexagonal boron nitride (hBN).

상기 자성체층은 상기 자성체층의 자성을 결정하는 원소에 대해 홀 도핑함으로써 상기 자성체층의 자성을 결정하는 원소에 결핍(deficiency)이 발생한 것일 수 있다.The magnetic layer may have a deficiency in the element determining the magnetism of the magnetic layer by doping holes with the element determining the magnetism of the magnetic layer.

상기 자성체층은 층상구조를 가지고 이차원으로 박리 가능한 물질로, CrI3, Cr2(Si, Ge)2Te6, MSe2 (단, M은 V 또는 Mn) 및 Fe3GeTe2 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.The magnetic layer has a layered structure and is a material that can be peeled off in two dimensions, CrI 3 , Cr 2 (Si, Ge) 2 Te 6 , MSe 2 (where M is V or Mn) and Fe 3 GeTe 2 Can be made of any one have.

상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층의 사이에는 전압이 인가되며, 상기 전압에 의해 발생한 전기장에 의해 상기 자성체층의 자기이방성이 감소될 수 있다.A voltage may be applied between the first electrode layer and the second electrode layer, and magnetic anisotropy of the magnetic layer may be reduced by an electric field generated by the voltage.

본 발명의 실시예에 따른 스핀 소자는, 전압이 인가되는 제1 전극층 및 제2 전극층; 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층의 사이에 위치하는 절연층; 및 상기 제1 전극층과 상기 절연층의 사이 또는 상기 절연층과 상기 제2 전극층의 사이에 위치하며, 상기 전압에 의해 발생한 전기장에 의해 자기이방성이 감소되는 이차원 자성체층을 포함한다.A spin device according to an embodiment of the present invention includes a first electrode layer and a second electrode layer to which a voltage is applied; an insulating layer positioned between the first electrode layer and the second electrode layer; and a two-dimensional magnetic layer positioned between the first electrode layer and the insulating layer or between the insulating layer and the second electrode layer, the magnetic anisotropy being reduced by the electric field generated by the voltage.

본 발명의 실시예에 따른 스핀 소자는, 이차원 구조를 갖는 제1 전극층; 이차원 구조를 갖는 제2 전극층; 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층의 사이에 위치하며, 이차원 구조를 갖는 절연층; 및 상기 제1 전극층과 상기 절연층의 사이 또는 상기 절연층과 상기 제2 금속층의 사이에 위치하는 이차원 자성체층을 포함하고, 상기 제1 전극층, 상기 제2 전극층, 상기 절연층 및 상기 자성체층의 면들은 서로 평행하게 배열되어 계면에서 이종접합을 형성한다.A spin device according to an embodiment of the present invention includes a first electrode layer having a two-dimensional structure; a second electrode layer having a two-dimensional structure; an insulating layer positioned between the first electrode layer and the second electrode layer and having a two-dimensional structure; and a two-dimensional magnetic layer positioned between the first electrode layer and the insulating layer or between the insulating layer and the second metal layer, wherein the first electrode layer, the second electrode layer, the insulating layer, and the magnetic layer The faces are arranged parallel to each other to form a heterojunction at the interface.

본 발명의 실시예에 의하면 이차원 자성체층의 자기 이방성이 감소하기 때문에, 이차원 자성체층의 자화 방향을 적은 전력으로 용이하게 제어할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, since the magnetic anisotropy of the two-dimensional magnetic layer is reduced, the magnetization direction of the two-dimensional magnetic layer can be easily controlled with little power.

도 1은 Fe3GeTe2의 자기장에 따른 자기 저항을 온도별로 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스핀 소자(1)의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 Fe3GeTe2의 기본 원자 구조와 대칭성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 얇게 박리된 Fe2.7GeTe2의 자기적 성질을 설명하기 위한 도면이다.
도 5, 도 6 및 도 7은 얇게 박리된 Fe2.7GeTe2의 자기적 성질을 Fe3GeTe2에 대비하여 나타내는 도면이다.
도 8은 홀 도핑에 따른 자화(M), 로컬 자기 모멘트 및 MAE(magnetocrystalline anisotropy energy)를 나타내는 표이다.
1 is a graph showing the magnetic resistance according to the magnetic field of Fe 3 GeTe 2 for each temperature.
2 is a diagram schematically showing the structure of a spin device 1 according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining the basic atomic structure and symmetry of Fe 3 GeTe 2 .
4 is a view for explaining the magnetic properties of thinly exfoliated Fe 2.7 GeTe 2 .
5, 6 and 7 are diagrams showing the magnetic properties of thinly peeled Fe 2.7 GeTe 2 compared to Fe 3 GeTe 2 .
8 is a table showing magnetization (M), local magnetic moment, and magnetocrystalline anisotropy energy (MAE) according to hole doping.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.The terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated.

명세서 및 청구범위에서 용어 "포함하는"과 함께 사용될 때 단수 단어의 사용은 "하나"의 의미일 수도 있고, 또는 "하나 이상", "적어도 하나", 및 "하나 또는 하나보다 많은"의 의미일 수도 있다.The use of the word singular when used in conjunction with the term "comprising" in the specification and claims may mean "a," or "one or more," "at least one," and "one or more than one." may be

청구항들에서의 용어 "또는"의 사용은 본 개시 내용이 단지 선택가능한 것들 및 "및/또는"을 나타내는 정의를 지지하더라도, 선택가능한 것은 상호 배타적이거나 단지 선택가능한 것들을 나타내는 것으로 명백하게 표시되지 않는 한 "및/또는"을 의미하기 위해 사용된다.The use of the term “or” in the claims means that, although this disclosure supports a definition indicating only the selectables and “and/or,” the selectable are mutually exclusive or unless expressly indicated as indicating merely the selectable. and/or".

본 발명의 특징 및 이점은 다음 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위 내 다양한 변경들 및 변형들이 본 상세한 설명으로부터 해당 기술분야의 통상의 기술자들에게 분명해질 것이기 때문에, 상세한 설명 및 구체적인 예들은 본 발명의 구체적인 실시예들을 나타내지만, 단지 예로서 주어진다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 다양한 예시적인 실시예들은 본 발명의 예시적인 실시예들이 도시되는, 첨부 도면들에 대하여 아래에서 상세하게 논의된다. 구체적인 구현예들이 논의되지만, 이는 단지 예시 목적들을 위해 행해진다. 관련 기술분야에서의 통상의 기술자는 다른 구성요소들 및 구성들이 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 같은 번호들은 전체에 걸쳐 같은 요소들을 나타낸다.The features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description. However, the detailed description and specific examples represent specific embodiments of the invention, but only, since various changes and modifications within the spirit and scope of the invention will become apparent to those skilled in the art from this detailed description. It should be understood that they are given as examples. Various exemplary embodiments of the invention are discussed in detail below with respect to the accompanying drawings, in which exemplary embodiments of the invention are shown. While specific implementations are discussed, this is done for illustration purposes only. A person skilled in the art will recognize that other elements and configurations may be used without departing from the spirit and scope of the present invention. Like numbers refer to like elements throughout.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스핀 소자(1)의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.2 is a diagram schematically showing the structure of a spin device 1 according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 스핀 소자(1)는, 제1 전극층(100), 이차원 자성체층(200), 절연층(300) 및 제2 전극층(400)를 포함한다.Referring to FIG. 2 , the spin device 1 includes a first electrode layer 100 , a two-dimensional magnetic layer 200 , an insulating layer 300 , and a second electrode layer 400 .

절연층(300)은 제1 전극층(100)과 상기 제2 전극층(400)의 사이에 위치한다. 이차원 자성체층(200)은 도 2에 도시된 바와 같이 제1 전극층(100)과 절연층(300)의 사이에 위치한다.The insulating layer 300 is positioned between the first electrode layer 100 and the second electrode layer 400 . The two-dimensional magnetic layer 200 is positioned between the first electrode layer 100 and the insulating layer 300 as shown in FIG. 2 .

실시예에 따라, 이차원 자성체층(200)은 절연층(300)과 제2 전극층(400)의 사이에 위치할 수도 있다. 또는, 도 2에는 이차원 자성체층(200)과 제2 전극층(400)의 사이에 한 개의 절연층(300)이 위치하는 것으로 도시하였지만, 제1 전극층(100)과 이차원 자성체층(200)의 사이에 절연층이 추가적으로 위치할 수도 있다.According to an embodiment, the two-dimensional magnetic layer 200 may be positioned between the insulating layer 300 and the second electrode layer 400 . Alternatively, although it is shown in FIG. 2 that one insulating layer 300 is positioned between the two-dimensional magnetic material layer 200 and the second electrode layer 400 , the first electrode layer 100 and the two-dimensional magnetic material layer 200 are located between the two-dimensional magnetic material layer 200 . An insulating layer may be additionally located.

이차원 자성체층(200)은 층상 구조를 갖고 이차원으로 박리 가능한 자성체로 이루어진다. 이차원 자성체층(200)은 예를 들어 CrI3, Cr2(Si, Ge)2Te6, MSe2 (단, M은 V 또는 Mn) 및 Fe3GeTe2 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. The two-dimensional magnetic material layer 200 has a layered structure and is made of a two-dimensionally peelable magnetic material. The two-dimensional magnetic layer 200 may be formed of, for example, any one of CrI 3 , Cr 2 (Si, Ge) 2 Te 6 , MSe 2 (where M is V or Mn) and Fe 3 GeTe 2 .

실시예에 따라, 이차원 자성체층(200)은 이차원 구조를 갖는 자성체에 홀 도핑 함으로써 형성될 수 있다. 이차원 자성체층(200)은 자성을 결정하는 원소에 대해 결핍 또는 잉여가 발생함으로써 홀 또는 전자 도핑될 수 있다. 여기서, 자성을 결정하는 원소란, 이차원 자성체층(200)을 구성하는 물질이 복수의 원소로 이루어진 화합물일 때, 이차원 자성체층(200)의 자성에 지배적으로 영향을 미치는 원소를 의미한다. 예를 들어, 이차원 자성체층(200)이 Fe3GeTe2로 이루어진 경우, Te는 이차원 자성체층(200)의 구조에 관여하고, Fe 및 Ge가 자성을 결정한다. 그러나, Ge가 이차원 자성체층(200)의 자성에 미치는 정도는 Fe에 비해 매우 적기 때문에, Fe3GeTe2로 이루어진 이차원 자성체층(200)의 경우 자성에 지배적으로 영향을 미치는 원소는 Fe이다.According to an embodiment, the two-dimensional magnetic material layer 200 may be formed by doping holes in a magnetic material having a two-dimensional structure. The two-dimensional magnetic material layer 200 may be doped with holes or electrons due to a deficiency or excess of an element determining magnetism. Here, the element determining the magnetism means an element that predominantly affects the magnetism of the two-dimensional magnetic layer 200 when the material constituting the two-dimensional magnetic layer 200 is a compound made of a plurality of elements. For example, when the two-dimensional magnetic layer 200 is made of Fe 3 GeTe 2 , Te is involved in the structure of the two-dimensional magnetic layer 200 , and Fe and Ge determine magnetism. However, since the degree of Ge to the magnetism of the two-dimensional magnetic layer 200 is very small compared to that of Fe, in the case of the two-dimensional magnetic layer 200 made of Fe 3 GeTe 2 , the element that predominantly affects the magnetism is Fe.

본 실시예에 의하면, 홀 도핑된 이차원 자성체층(200)을 사용함으로써 이차원 자성체층(200)의 자기이방성이 감소되며, 이에 따라 스핀 소자(1)의 제어가 용이하게 된다. 이러한 자기이방성의 감소 효과에 대해서는 실험 결과와 함께 상세히 후술한다.According to this embodiment, the magnetic anisotropy of the two-dimensional magnetic material layer 200 is reduced by using the hole-doped two-dimensional magnetic material layer 200, and accordingly, the control of the spin element 1 is facilitated. The effect of reducing the magnetic anisotropy will be described later in detail along with the experimental results.

이차원 자성체층(200)뿐만 아니라, 제1 전극층(100), 절연층(300) 및 제2 전극층(400)도 이차원 구조를 갖고, 제1 전극층(100), 이차원 자성체층(200), 절연층(300) 및 제2 전극층(400)의 면들은 서로 평행할 수 있다. 제1 전극층(100)과 이차원 자성체층(200)의 계면, 이차원 자성체층(200)과 절연층(300)의 계면 및 절연층(300)과 제2 전극층(400)의 계면은 이종접합을 형성할 수 있다.In addition to the two-dimensional magnetic material layer 200, the first electrode layer 100, the insulating layer 300, and the second electrode layer 400 also have a two-dimensional structure, and the first electrode layer 100, the two-dimensional magnetic material layer 200, and the insulating layer Surfaces of 300 and the second electrode layer 400 may be parallel to each other. The interface between the first electrode layer 100 and the two-dimensional magnetic layer 200, the interface between the two-dimensional magnetic layer 200 and the insulating layer 300, and the interface between the insulating layer 300 and the second electrode layer 400 form a heterojunction. can do.

이차원 구조를 갖는 제1 전극층(100) 및 제2 전극층(400)을 형성하는 물질로서 그래핀이 사용될 수 있다. 또한, 이차원 구조를 갖는 절연층(300)을 형성하는 물질로서 hBN이 이용될 수 있다. Graphene may be used as a material for forming the first electrode layer 100 and the second electrode layer 400 having a two-dimensional structure. Also, hBN may be used as a material for forming the insulating layer 300 having a two-dimensional structure.

실시예에 따라, 제1 전극층(100)과 제2 전극층(400)을 형성하는 물질은 서로 동일하거나, 서로 상이할 수도 있다.According to an embodiment, materials forming the first electrode layer 100 and the second electrode layer 400 may be the same or different from each other.

제1 전극층(100)과 제2 전극층(400)의 사이에는 전압이 인가되며, 인가된 전압에 의해 제1 전극층(100)과 제2 전극층(400)의 사이에 발생한 전기장에 의해, 이차원 자성체층(200)의 자기이방성이 감소된다. 전술한 바와 같이, 이차원 자성체층(200)의 자기이방성은 이차원 자성체층(200)을 형성하는 물질에 홀 도핑하는 경우에도 감소할 수 있다. 실시예에 따라, 홀 도핑된 이차원 자성체층(200)에 전기장이 인가될 수 있으며, 이 경우 자기이방성 감소의 효과가 증대될 수 있다.A voltage is applied between the first electrode layer 100 and the second electrode layer 400 , and by the electric field generated between the first electrode layer 100 and the second electrode layer 400 by the applied voltage, the two-dimensional magnetic material layer The magnetic anisotropy of (200) is reduced. As described above, the magnetic anisotropy of the two-dimensional magnetic layer 200 may be reduced even when holes are doped into the material forming the two-dimensional magnetic layer 200 . According to an embodiment, an electric field may be applied to the hole-doped two-dimensional magnetic material layer 200, and in this case, the effect of reducing the magnetic anisotropy may be increased.

다음으로, 이차원 자성체층(200)으로서 홀 도핑된 Fe3-xGeTe2(FGT, 0<x<3)가 이용되었을 때 자기이방성 감소의 효과에 대해 실험결과를 참조하여 구체적으로 설명한다. Next, the effect of reducing magnetic anisotropy when hole-doped Fe 3-x GeTe 2 (FGT, 0<x<3) is used as the two-dimensional magnetic layer 200 will be described in detail with reference to the experimental results.

도 3a~도 3e는 FGT의 기본 원자 구조와 대칭성을 설명하기 위한 도면이다.3a to 3e are views for explaining the basic atomic structure and symmetry of FGT.

도 3a는 Fe3-xGeTe2(FGT)의 결정 구조를 나타내는 도면이다. Fe3-xGeTe2(FGT)의 결정 구조는 a=0.3954(2)nm, c=1.6372(2)nm 의 격자 파라미터를 갖는 P63/mmc 공간 그룹에 속한다.Figure 3a is a view showing the crystal structure of Fe 3-x GeTe 2 (FGT). The crystal structure of Fe 3-x GeTe 2 (FGT) belongs to the P6 3 /mmc space group with lattice parameters of a=0.3954(2)nm and c=1.6372(2)nm.

도 3a를 참조하면, FGT의 단일층은, 두 개의 비균등한 윅오프 위치(Fe1, Fe2)를 점유하는 Fe 원자들을 갖는 5개의 원자층의 결합에 의해 형성된다. 각 층의 중심에서, 1:1 비율의 Fe2와 Ge의 평면 원자 배열은, hBN과 유사한 육각 격자를 형성한다. Fe2-Ge 면의 1.3Å 위와 아래에, 삼각 격자를 형성하는 Fe2-Ge 육각형의 중심에 따른 수평 위치에 Fe1 원자가 위치한다. 최외각 층은, c축에서 Fe1 층으로부터 약 1.3Å 떨어진 2개의 Te 면으로 형성되며, 각각은 인접한 Fe1 층의 중심에 (또는 Fe2의 동일한 수평 위치에) 위치한다. FGT의 단위셀은 Fe-Ge-Te 복합체(complex)의 두 층으로 구성되는데, 하부층에 대해 Fe1 원자층에 관하여 60도 회전된 상부층과 0.3Å 떨어지도록 층들이 적층된다. 여기서, 조각(flake)의 층 수는, 두 개의 단일층으로 이루어진 단위 셀(1.6nm 이하)의 두께(t)로 계산된다. Referring to FIG. 3A , a monolayer of FGT is formed by bonding of five atomic layers with Fe atoms occupying two unequal wick-off positions (Fe1, Fe2). At the center of each layer, the planar atomic arrangement of Fe2 and Ge in a 1:1 ratio forms a hexagonal lattice similar to hBN. Above and below 1.3 Å of the Fe2-Ge plane, Fe1 atoms are located in horizontal positions along the center of the Fe2-Ge hexagons forming the triangular lattice. The outermost layer is formed of two Te planes about 1.3 Å away from the Fe1 layer in the c-axis, each centered in the adjacent Fe1 layer (or at the same horizontal position of Fe2). The unit cell of FGT is composed of two layers of Fe-Ge-Te complex, the layers are stacked 0.3 Å apart from the upper layer rotated 60 degrees with respect to the Fe1 atomic layer with respect to the lower layer. Here, the number of layers of the flake is calculated as the thickness t of a unit cell (1.6 nm or less) composed of two single layers.

도 3b를 참조하면, 복수의 측정 포인트를 갖는 수 개의 단결정으로부터 추출된 EDX에 의해 결정된 평균 화학량은, Te를 2로 고정했을 때, 결정들이 Fe:Ge:Te=2.64(6):0.87(4):2.00 화학량으로 균일함을 나타낸다. 이 실험에서 측정된 FGT는 Fe 결핍을 갖는다. 즉, Fe 결핍이 없는 FGT(Fe3GeTe2)에서 Fe 원자의 비율이 Fe1:Fe2=2:1이며, Fe 결핍은 Fe2 위치를 선호하는 것이 보고되어 있다. Referring to FIG. 3b , the average stoichiometry determined by EDX extracted from several single crystals having multiple measurement points is, when Te is fixed at 2, the crystals are Fe:Ge:Te=2.64(6):0.87(4 ):2.00 stoichiometry, indicating uniformity. The FGT measured in this experiment has Fe deficiency. That is, in FGT (Fe 3 GeTe 2 ) without Fe deficiency, the ratio of Fe atoms is Fe1:Fe2=2:1, and it is reported that Fe deficiency favors the Fe2 position.

도 3c는 SiO2/Si 기판 상에 놓인 기계적으로 박리된 FGT 조각의 광학 현미경 이미지이다. 조각의 두께와 표면 거칠기는 원자력 현미경(atomic force microscopy; AFM) 측정에 의해 정의된다. 3C is an optical microscope image of a piece of mechanically exfoliated FGT placed on a SiO 2 /Si substrate. The thickness and surface roughness of the slices were defined by atomic force microscopy (AFM) measurements.

도 3d는 도 3c의 사각형 점선 영역에 해당하는 FGT 조각의 AFM 이미지이다.Figure 3d is an AFM image of the FGT fragment corresponding to the rectangular dotted line region of Figure 3c.

도 3e는 도 3d의 녹색선을 따른 높이 프로파일이, 어떠한 큰 결함(defect)이나 두께 구배가 없는 비교적 평평한 표면을 가지면서, 조각의 두께가 12.5nm(8 단위셀 이하)인 것을 나타낸다.Fig. 3e shows that the height profile along the green line of Fig. 3d has a relatively flat surface without any large defects or thickness gradients, while the thickness of the piece is 12.5 nm (8 unit cells or less).

도 4는 얇게 박리된 Fe3-xGeTe2의 자기적 성질을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the magnetic properties of thinly exfoliated Fe 3-x GeTe 2 .

도 4a~도 4c는 MOKE(magneto-optical Kerr effect)에 의해 측정된 Fe3-xGeTe2 조각의 온도 의존 면외(H//c) 자기 히스테리시스 루프로서, 도 4a는 9.3nm, 도 4b는 13.6nm, 도 4c는 16nm(단위셀 6개, 9개, 10개에 각각 해당)의 두께를 대표적으로 나타낸다. 오차 막대는 MOKE 신호 노이즈에 의해 결정된다.4A-4C are temperature-dependent out-of-plane (H//c) magnetic hysteresis loops of Fe 3-x GeTe 2 fragments measured by the magneto-optical Kerr effect (MOKE). nm, FIG. 4c represents a representative thickness of 16 nm (corresponding to 6, 9, and 10 unit cells, respectively). The error bars are determined by the MOKE signal noise.

도 4d~도 4f는 하기의 식(1)을 이용하여 실험 데이터를 피팅하여 그린 것이다. 피팅 곡선에 의해 결정된 10nm, 13.6nm, 16nm Fe3-xGeTe2 조각의 큐리 온도 Tc는 각각 101K, 102K, 121K이다. 도 4d~도 4f의 삽입 이미지는, 측정된 조각의 광학 이미지를 5μm 흰색 스케일 막대와 함께 나타낸다.4D to 4F are drawn by fitting experimental data using Equation (1) below. The Curie temperatures Tc of the 10 nm, 13.6 nm, and 16 nm Fe 3-x GeTe 2 fragments determined by the fitting curves are 101K, 102K, and 121K, respectively. The inset images of Figures 4d-4f show the optical image of the measured piece with a 5 μm white scale bar.

도 4a~도 4c를 참조하면, Fe3-xGeTe2 박편의 면외 자기 히스테리시스 루프는 저온(T≤80K)에서 가득찬 잔류자기와 잘 정의된 보자력(coercivity)을 갖는 사각 루프를 나타내는데, 이는 얇은 Fe3-xGeTe2 층이 단일축의 면외 자기 용이 축(uniaxial out-of-plane magnetic easy axis)을 갖는다는 것, 즉 수직 자기이방성(PMA)을 갖는다는 것을 나타낸다. 온도가 증가함에 따라 자기 보자력은 감소하는데, 이는 이차원 체계에 근접하는 자기 시스템에서 흔하게 나타난다. 4a to 4c, the out-of-plane magnetic hysteresis loop of Fe 3-x GeTe 2 flakes exhibits a square loop with full residual magnetism and well-defined coercivity at low temperature (T≤80K), which is a thin This indicates that the Fe 3-x GeTe 2 layer has a uniaxial out-of-plane magnetic easy axis, that is, it has perpendicular magnetic anisotropy (PMA). As the temperature increases, the magnetic coercive force decreases, which is common in magnetic systems approaching two-dimensional systems.

도 4d~도 4f를 참조하면, 온도가 증가함에 따라 포화 자화(Ms) 또한 감소하며, 큐리 온도(Tc)에서 강자성 상태에서 상자성 상태로의 상 전이가 관찰된다. 박편의 Tc는 도 4d~도 4f의 M-T 곡선을 하기의 식(1)로 피팅함으로써 결정될 수 있다. 식(1)에서 m(

Figure 112019104382103-pat00001
)은 정규화된 자화이고 β는 임계 지수이다.4D to 4F , as the temperature increases, the saturation magnetization (Ms) also decreases, and a phase transition from the ferromagnetic state to the paramagnetic state is observed at the Curie temperature (Tc). The Tc of the lamella can be determined by fitting the MT curves of FIGS. 4D to 4F with the following equation (1). In equation (1), m(
Figure 112019104382103-pat00001
) is the normalized magnetization and β is the critical exponent.

Figure 112019104382103-pat00002
…(1)
Figure 112019104382103-pat00002
… (One)

Fe3-xGeTe2 박편의 Tc는 101K~121로 판단되며, 두께에 따라 약간 증가한다. The Tc of the Fe 3-x GeTe 2 flakes is determined to be 101K~121, and it slightly increases with the thickness.

얇은 (수층의) Fe 결핍 Fe3-xGeTe2 박편은, Fe3GeTe2와 유사하게, 강한 PMA를 갖지만, Fe3-xGeTe2와 Fe3GeTe2에는 두가지 큰 차이가 있다. 첫째, Fe 결핍 Fe3-xGeTe2의 큐리 온도(10nm 이하의 두께 조각에 대해 100K 이하)는 Fe3GeTe2의 큐리 온도(10nm 이하의 두께 조각에 대해 150K 이하)보다 낮다. 둘째, Fe 결핍 Fe3-xGeTe2 조각은 비교적 작은 자기 보자력(T=10K에서 두께 10nm 이하의 층에 대해 300 Oe 이하)을 가지며, 이는 Fe3GeTe2의 자기 보자력(T=10K에서 두께 10nm 이하의 층에 대해 4000 Oe 이하)보다 훨씬 적다. 미크론 사이즈의 Fe3-xGeTe2 조각에 대해, 용이축 자기 보자력은 단일축 자기 이방성에 대체로 비례한다. 따라서, 보자력에 있어서의 큰 감소는, Fe 결핍 Fe3-xGeTe2가, Fe3GeTe2와 비교하여, 상당히 작은, 그러나 여전히 수직인 자기 이방성을 갖는다는 것을 나타낸다. Thin (aqueous) Fe-deficient Fe 3-x GeTe 2 flakes, similar to Fe 3 GeTe2, have strong PMA, but there are two major differences between Fe 3-x GeTe 2 and Fe 3 GeTe 2 . First, the Curie temperature of Fe-deficient Fe 3-x GeTe 2 (less than 100K for thin slices of 10 nm or less) is lower than the Curie temperature of Fe 3 GeTe 2 (less than 150K for slices of thickness less than 10 nm). Second, the Fe-deficient Fe 3-x GeTe 2 fragments have a relatively small magnetic coercivity (300 Oe or less for layers up to 10 nm thick at T=10K), which is the magnetic coercivity of Fe 3 GeTe 2 (10 nm thick at T=10K). much less than 4000 Oe for the layers below). For a micron-sized piece of Fe 3-x GeTe 2 , the easy-axis magnetic coercive force is roughly proportional to the uniaxial magnetic anisotropy. Thus, a large decrease in coercivity indicates that Fe-deficient Fe 3-x GeTe 2 has a significantly smaller but still perpendicular magnetic anisotropy compared to Fe 3 GeTe 2 .

도 5 및 도 6은 얇게 박리된 Fe2.7GeTe2의 자기적 성질을 Fe3GeTe2에 대비하여 나타내는 도면이고, 도 7은 도핑으로 Fe2.7GeTe2 의 보자력이 변화하는 결과를 보여준다. 이로부터 알 수 있듯이, 얇게 박리된 Fe2.7GeTe2, 즉 Fe 결핍 Fe3-xGeTe2의 수직 자기이방성 및 스위칭 필드가 Fe3GeTe2에 비하여 감소한다. 즉, 홀 도핑으로 Fe3-xGeTe2의 자기이방성의 제어가 가능함을 알 수 있다.5 and 6 are views showing the magnetic properties of thinly exfoliated Fe 2.7 GeTe 2 compared to Fe 3 GeTe 2 , and FIG. 7 shows the result of changing the coercive force of Fe 2.7 GeTe 2 by doping. As can be seen from this, the perpendicular magnetic anisotropy and switching field of thinly exfoliated Fe 2.7 GeTe 2 , ie, Fe-deficient Fe 3-x GeTe 2 , are reduced compared to Fe 3 GeTe 2 . That is, it can be seen that the magnetic anisotropy of Fe 3-x GeTe 2 can be controlled by hole doping.

자기 이방성이 스핀트로닉 소자의 성능에 있어 중요한 파라미터라는 관점에서, 홀 도핑과 함께 보자력의 상당한 감소는 제1 원리 계산에 의해 더욱 조사되었다. From the point of view that magnetic anisotropy is an important parameter in the performance of spintronic devices, the significant reduction of coercive force with Hall doping was further investigated by first-principle calculations.

도 8은 홀 도핑에 따른 자화(M), 로컬 자기 모멘트 및 MAE(magnetocrystalline anisotropy energy)를 나타내는 표이다. x=0는 0h/f.u., x=0.19는 0.5h/f.u., x=0.38은 1h/f.u.에 해당한다.8 is a table showing magnetization (M), local magnetic moment, and magnetocrystalline anisotropy energy (MAE) according to hole doping. x=0 corresponds to 0h/f.u., x=0.19 corresponds to 0.5h/f.u., and x=0.38 corresponds to 1h/f.u.

홀 도핑의 넓은 범위에서(공식 단위(f.u.) 당 0~1h), c축을 따른 자화는, 면내 [210] 방향보다 우선하며, 이는 MOKE 측정으로부터 관찰된 PMA와 일치한다. x=0.38(f.u.당 1h 도핑)에 이르기까지 약 10%의 자화의 완만한 감소와는 대조적으로, x=0.19(f.u.당 0.5h 도핑)과 함께 MAE는 약 33%의 놀라운 감소를 보였고, x=0.38(f.u.당 1h 도핑)을 갖는 MAE는 화학식 그대로의 FGT(x=0)에 비해 7% 이하의 값으로 감소함을 보였다. 이는, 감소된 자화가 강제 장의 연화와 무관함을 나타낸다.Over a wide range of hole doping (0–1 h per formula unit (f.u.)), the magnetization along the c-axis takes precedence over the in-plane [210] direction, which is consistent with the observed PMA from MOKE measurements. In contrast to the gentle decrease in magnetization of about 10% up to x = 0.38 (1 h doping per fu), with x = 0.19 (0.5 h doping per fu) MAE showed a surprising decrease of about 33%, x MAE with =0.38 (1 h doping per fu) was shown to be reduced to a value of 7% or less compared to FGT without chemical formula (x=0). This indicates that the reduced magnetization is independent of the softening of the forced field.

이상의 실험과 계산 결과에 의해 홀 도핑된 Fe3-xGeTe2의 수직 자기 이방성이 감소하는 것을 알 수 있다.It can be seen that the perpendicular magnetic anisotropy of hole-doped Fe 3-x GeTe 2 is reduced by the above experiments and calculation results.

또한, 이차원 자성체층(200)에 전기장을 인가하는 것는 홀 도핑과 동일한 효과, 즉 수직 자기 이방성의 효과를 기대할 수 있다. 수직 자기 이방성 감소의 효과를 극대화하기 위해, 홀 도핑 및 전기장 인가 모두를 이용할 수도 있다.In addition, applying an electric field to the two-dimensional magnetic layer 200 can expect the same effect as the hole doping, that is, the effect of perpendicular magnetic anisotropy. To maximize the effect of perpendicular magnetic anisotropy reduction, both hole doping and electric field application may be used.

본 발명의 실시예에 의하면, 각 층이 이차원 구조를 갖는 구성에 의해, 스핀 정보가 잘 보존될 수 있다. 스핀트로닉스 현상들에서는 계면 자성 및 계면 스핀수송 특성이 매우 중요한 역할을 하는데, 계면이 잘 정의되지 못하면 게면에서 대부분의 스핀 정보가 파괴되어 예측되는 소자 성능이 관측되지 못할 수 있다. 또한, 층상 구조를 가진 이차원 자성체들과 이종접합구조들은 스퍼터(sputter)나 분자선에피탁시(MBE)로 증착된 자성박막에 비해 계면이 월등히 잘 정의되므로, 스핀트로닉스 현상들의 체계적인 분석과 물리적인 이해에 큰 기여를 할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, spin information can be well preserved by a configuration in which each layer has a two-dimensional structure. In spintronics phenomena, interfacial magnetism and interfacial spin transport characteristics play a very important role. If the interface is not well defined, most of the spin information on the plane is destroyed, and the predicted device performance may not be observed. In addition, two-dimensional magnetic materials and heterojunction structures having a layered structure have a much better defined interface than a magnetic thin film deposited by sputtering or molecular beam epitaxy (MBE). Therefore, systematic analysis and physical understanding of spintronic phenomena can make a great contribution to

본 발명의 실시예에 의하면, 유연성을 갖는 이차원 자성체를 이용함으로써, 유연스핀소자로서의 활용도 가능하다.According to an embodiment of the present invention, by using a two-dimensional magnetic material having flexibility, it can be utilized as a flexible spin device.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.As described above, the present invention has been described in detail through preferred embodiments, but the present invention is not limited thereto, and it is common in the art that various changes and applications can be made without departing from the technical spirit of the present invention. self-explanatory to the technician. Therefore, the true protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (9)

제1 전극층;
제2 전극층;
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층의 사이에 위치하는 절연층; 및
상기 제1 전극층과 상기 절연층의 사이, 또는 상기 절연층과 상기 제2 전극층의 사이에 위치하며, 도핑이 제어 가능한 이차원 자성체층;
을 포함하고,
상기 자성체층은 상기 자성체층의 자성을 결정하는 원소에 대해 홀 도핑함으로써 상기 자성체층의 자성을 결정하는 원소에 결핍(deficiency)이 발생한 것이고,
상기 제1 전극층, 상기 제2 전극층, 상기 절연층 및 상기 자성체층의 면들은 서로 평행하게 배열되어 계면에서 이종접합을 형성하는 스핀 소자.
a first electrode layer;
a second electrode layer;
an insulating layer positioned between the first electrode layer and the second electrode layer; and
a two-dimensional magnetic material layer located between the first electrode layer and the insulating layer or between the insulating layer and the second electrode layer, the doping of which is controllable;
including,
The magnetic layer has a deficiency (deficiency) in the element determining the magnetism of the magnetic layer by doping holes with respect to the element determining the magnetism of the magnetic layer,
Surfaces of the first electrode layer, the second electrode layer, the insulating layer, and the magnetic layer are arranged parallel to each other to form a heterojunction at an interface.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극층, 상기 제2 전극층 및 상기 절연층은 각각 이차원 구조를 갖고,
상기 제1 전극층, 상기 제2 전극층, 상기 절연층 및 상기 자성체층의 면(plane)들은 서로 평행한 것을 특징으로 하는 스핀 소자.
According to claim 1,
The first electrode layer, the second electrode layer and the insulating layer each have a two-dimensional structure,
and planes of the first electrode layer, the second electrode layer, the insulating layer, and the magnetic layer are parallel to each other.
제2항에 있어서,
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 그래핀인 것을 특징으로 하는 스핀 소자.
3. The method of claim 2,
The first electrode layer and the second electrode layer is a spin device, characterized in that the graphene.
제2항에 있어서,
상기 절연층은, hBN(hexagonal Boron Nitride)인 것을 특징으로 하는 스핀 소자.
3. The method of claim 2,
The insulating layer is a spin device, characterized in that hBN (hexagonal boron nitride).
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 자성체층은, CrI3, Cr2(Si, Ge)2Te6, MSe2 (단, M은 V 또는 Mn) 및 Fe3GeTe2 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 스핀 소자.
According to claim 1,
The magnetic layer is CrI 3 , Cr 2 (Si, Ge) 2 Te 6 , MSe 2 (where M is V or Mn) and Fe 3 GeTe 2 Spin device, characterized in that made of any one.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층의 사이에는 전압이 인가되며, 상기 전압에 의해 발생한 전기장에 의해 상기 자성체층의 자기이방성이 감소되는 것을 특징으로 하는 스핀 소자.
According to claim 1,
A voltage is applied between the first electrode layer and the second electrode layer, and the magnetic anisotropy of the magnetic layer is reduced by an electric field generated by the voltage.
삭제delete 삭제delete
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