Rapports d’étude sur la commutation ferroélectrique de la conversion spin-charge dans le tellurure de germanium


Rapports d'étude sur la commutation ferroélectrique de la conversion spin-charge dans le tellurure de germanium

Une image conceptuelle montrant un courant de spin (sphères vertes) injecté dans un cristal de GeTe sur une plaquette de silicium. Selon l’orientation de la polarisation ferroélectrique dans GeTe (atomes orange et bleu clair délavés), le courant de charge de sortie est soit positif (+) soit négatif (-). Le de germanium peut être intégré de manière monolithique au silicium, ce qui ouvre la voie au développement de composants reconfigurables basés sur la silicium. Source : Varotto et al.

Les dispositifs spintroniques, une classe d’architectures capables de stocker ou de transmettre des informations en tirant parti du spin intrinsèque des électrons, se sont révélés très prometteurs en termes de vitesse et d’efficacité. À ce jour, cependant, le développement de ces dispositifs a été entravé par la mauvaise compatibilité entre les matériaux semi-conducteurs et les sources de spin ferromagnétiques qui sous-tendent leur fonctionnement.

Alors que certains semi-conducteurs peuvent générer des courants électriques à partir de courants de spin transversaux et vice versa, un contrôle fiable de cette spin-charge s’est jusqu’à présent avéré très difficile. Ces dernières années, par conséquent, certains scientifiques et ingénieurs des matériaux ont exploré le potentiel de fabrication de dispositifs spintroniques avec des semi-conducteurs ferroélectriques Rashba, une classe de matériaux possédant plusieurs propriétés bénéfiques telles que les semi-conducteurs, le couplage spin-orbite et la non-volatilité.

Une équipe de chercheurs du Politecnico di Milano, de l’Université de Grenoble Alpes et d’autres instituts dans le monde a récemment démontré le contrôle non volatil de la conversion de charge de spin dans le tellurure de germanium, un semi-conducteur Rashba bien connu, à ambiante. Votre article, publié dans Électronique naturelle, pourrait avoir des implications importantes pour le développement futur des dispositifs spintroniques.

L’effet Rashba, découvert en 1959, implique une division indépendante de la quantité de mouvement des bandes de spin dans les systèmes de matière condensée à deux dimensions. Dans le cas des semi-conducteurs ferroélectriques Rashba, cet effet peut être inversé en changeant le sens de la polarisation ferroélectrique.

L’idée que le dédoublement du spin du Rashba dans ces matériaux puisse être contrôlé a été confirmée par une série de calculs de premier principe de S. Picozzi et validée plus tard dans des expériences spectroscopiques avec le tellurure de germanium, qui est donc souvent le « prototype » du rashba ferroélectrique. est considérée comme une classe de semi-conducteurs.

« Grâce à cette relation un à un entre l’état ferroélectrique et les spins, un champ électrique capable de commuter la polarisation ferroélectrique permettrait le contrôle non volatil du transport des spins », explique Christian Rinaldi, l’un des chercheurs qui a réalisé l’étude. a déclaré TechXplore. « En 2019, S. Manipatruni et I. Young d’Intel ont publié un article très inspirant sur l’ de l’électronique à base de spin pour les appareils à très faible consommation d’énergie. Intel a vu l’efficacité de la spintronique et la mise à l’échelle de la densité bien au-delà de la technologie CMOS actuelle. « 

L’ présentée par Intel en 2019 appelée MESO permet de stocker des informations dans l’aimantation d’un nano-aimant. Il traite ensuite ces informations par conversion spin-to-charge en d’autres matériaux.

Les appareils électroniques conventionnels traitent les informations et les lisent en utilisant la charge électrique et la tension. L’électronique à base de spin, quant à elle, utilise des électrons en rotation pour transporter l’information. Le terme conversion spin-charge fait essentiellement référence à la capacité des matériaux à faire le pont entre l’utilisation de charges électriques pour le traitement de l’information et l’utilisation de spins électroniques. En d’autres termes, la conversion de spin en charge permet la conversion de courants de spin en tensions, ce qui permet aux appareils électroniques de lire facilement les informations.

Rapports d'étude sur la commutation ferroélectrique de la conversion spin-charge dans le tellurure de germanium

Source : Varotto et al.

« Lorsque j’ai examiné la solution d’Intel, j’ai immédiatement réalisé que le tellurure de germanium aurait pu faire la différence, à condition que la direction non volatile de la polarisation ferroélectrique puisse modifier la conversion de charge de spin du composé », a déclaré Rinaldi. « Un tel mécanisme aurait permis de stocker des informations dans le ferroélectrique, de les traiter à l’aide du spin puis de convertir le résultat en une tension mesurable. C’était la clé pour construire des architectures au-delà du CMOS avec une consommation d’énergie extrêmement faible et une simplification potentiellement importante de l’architecture d’Intel. »

Afin de démontrer le contrôle ferroélectrique de la conversion spin-charge, Rinaldi et ses collègues ont d’abord dû montrer que le contrôle de la ferroélectricité dans le tellurure de germanium était possible en appliquant des impulsions de tension aux contacts métalliques déposés sur le semi-conducteur. Ils ont ensuite injecté des courants de spin dans du tellurure de germanium et mesuré le courant de charge résultant et l’ont comparé à l’état de polarisation.

« Nous avons démontré le contrôle ferroélectrique du semi-conducteur en appliquant des impulsions de tension à travers une fine grille métallique sur du tellurure de germanium », a déclaré Sara Varotto, Ph.D. Le chercheur qui a mené l’étude explique. « Nous avons cartographié la distribution des domaines ferroélectriques sous la grille avec la pointe conductrice d’un microscope à force atomique. Nous avons également découvert une connexion entre la configuration des domaines ferroélectriques et la résistance électrique des jonctions métal/germanium-tellurure, un moyen très efficace pour identifier facilement l’état de polarisation. »

Varotto a ensuite réalisé une série d’expériences de pompe à spin à l’Université de Grenoble Alpes sous la direction des chercheurs Laurent Vila et Jean-Philippe Attané. L’équipe a excité une couche de fer en contact avec l’échantillon de tellurure de germanium pour injecter un courant de spin dans le semi-conducteur. Ces expériences ont montré que les électrons en rotation sont déviés vers la gauche ou la droite par le tellurure de germanium, selon la direction de la polarisation ferroélectrique.

« Nous montrons que l’effet Hall de spin est responsable de cette conversion de spin en courants de charge dans le tellurure de germanium, grâce aux précieux travaux de Jagoda Slawinska et Marco Buongiorno Nardelli de l’Université de North Texas », a déclaré Rinaldi. « Un contrôle électrique non volatil similaire de la conversion de charge de spin a également été démontré dans l’intégration d’un gaz d’électrons bidimensionnel à base d’oxyde sur du silicium. »

Cette équipe de recherche démontre pour la première fois la commutation ferroélectrique de la conversion spin-charge à température ambiante dans un semi-conducteur qui pourrait être intégré de manière monolithique sur silicium. Il s’agit d’une réalisation remarquable par rapport aux efforts précédents.

« Nous avons également proposé un dispositif logique conceptuel qui partage la loi d’échelle favorable et la faible consommation d’énergie avec le dispositif MESO d’Intel, mais avec une grande simplification globale offerte par le fait que le tellurure de germanium possède à la fois des capacités de mémoire et de transduction de spin », a déclaré Rinaldi. Semblable à notre cerveau, la mémoire et le calcul sont dans le même espace physique, avec des perspectives dans l’informatique en mémoire. »

À l’avenir, la stratégie proposée par Rinaldi et ses collègues pour contrôler la conversion spin-charge dans le tellurure de germanium pourrait être appliquée au développement de nouveaux dispositifs spintroniques. De plus, étant donné que le dispositif qu’ils ont théoriquement proposé dans leur article peut stocker et traiter des informations dans le même espace physique, un peu comme le cerveau humain, il pourrait s’avérer particulièrement utile pour les applications informatiques en mémoire.

« Ma recherche se concentre sur des solutions basées sur le spin dans de nouveaux matériaux quantiques pour aider au développement d’une nouvelle ère informatique », a ajouté Rinaldi. « La première étape dans ce sens impliquera l’ingénierie des matériaux des semi-conducteurs ferroélectriques Rashba pour rapprocher un tel composé beaucoup plus de la technologie. »


Les propriétés cachées du tellurure de germanium à l’échelle nanométrique révélées


Plus d’information:
Sara Varotto et al., Commutation ferroélectrique de la conversion spin-to-charge à température ambiante dans le tellurure de germanium, Électronique naturelle(2021). DOI : 10.1038 / s41928-021-00653-2

Domenico Di Sante et al., Contrôle électrique de l’effet Rashba géant dans Mass GeTe, Matériaux avancés (2012). DOI : 10.1002 / adma.201203199

Christian Rinaldi et al., Contrôle ferroélectrique de la texture de spin dans GeTe, Nano lettres (2018). DOI : 10.1021 / acs.nanolett.7b04829

Sasikanth Manipatruni et al., Logique de spin-orbite magnétoélectrique à efficacité énergétique évolutive, la nature(2018). DOI : 10.1038 / s41586-018-0770-2

Paul Noël et al., Contrôle électronique non volatile de la conversion spin-charge dans un système SrTiO3 Rashba, la nature (2020). DOI : 10.1038 / s41586-020-2197-9

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Citation: Rapports d’étude sur la commutation ferroélectrique de la conversion spin-charge dans le tellurure de germanium (2021, 4 novembre), consulté le 4 novembre 2021 sur https://phys.org/news/2021-11-ferroelectric-spin- à-charge-conversion -germanium-tellurid.html

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