Couches minces magnétiques de NiFe composant des nanostructures de MoS2 pour une application spintronique

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 9809 (2022) Citer cet article

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Nous démontrons une couche de nanostructure constituée de nano-flocons de MoS2 conjugués à un film mince de Ni80Fe20 (permalloy: Py). Les couches sont réalisées sur la base d'une co-déposition en une seule étape de Py et MoS2 à partir d'une solution unique où coexistent des flocons ioniques Ni et Fe et MoS2. Les films minces synthétisés avec des flocons de MoS2 montrent une coercivité croissante et une amélioration de l'effet Kerr magnéto-optique. La largeur de raie de résonance ferromagnétique ainsi que le paramètre d'amortissement ont augmenté de manière significative par rapport à ceux de la couche Py en raison de la présence de MoS2. La spectroscopie Raman et la cartographie élémentaire sont utilisées pour montrer la qualité de MoS2 dans le film mince de Py. Notre méthode de synthèse promet de nouvelles opportunités pour la production électrochimique de dispositifs fonctionnels à base de spintronique.

Les récentes réalisations prometteuses en spintronique, en particulier dans les couches minces magnétiques conjuguées à des matériaux bidimensionnels (2D), ont rendu ce sujet intéressant pour les études fondamentales afin d'explorer leur rôle important dans les futurs dispositifs de mémoire et de calcul basés sur la spintronique1,2,3,4,5 . Le noyau qui dérive du phénomène fondamental dans de telles structures est l'interaction spin-orbite (SOI)6,7. Pour bénéficier du SOI dans les dispositifs spintroniques, des matériaux à fort couplage spin-orbite (SOC), principalement des métaux lourds comme le Pt et le Ta8, sont utilisés dans les dispositifs en contact avec des couches minces magnétiques. De plus, en raison des développements récents dans le domaine des matériaux 2D, une attention particulière est accordée à la mise en œuvre de matériaux 2D avec leurs propriétés intrigantes au lieu de ces métaux lourds9,10 avec un SOC élevé. De nombreuses études ont démontré l'utilisation réussie de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) en contact avec des films minces ferromagnétiques pour améliorer le SOI, induire une anisotropie de surface, etc.11,12. Nous avons récemment démontré que l'anisotropie magnétique peut être réglée par MoS2 à la surface de films minces de Py13 et que l'anisotropie interfaciale prédite peut également être modifiée dans Co/noir-phosphorène14. Ici, nous démontrons alternativement les propriétés magnétiques du changement de Ni80Fe20 par la réalisation de flocons minces de MoS2. Cela montre que l'ensemble du film mince ferromagnétique unique possède des propriétés magnétiques intrinsèques induites par le SOC.

La fabrication de couches minces pour les dispositifs de spintronique basée sur des techniques physiques telles que la pulvérisation et l'évaporation thermique a montré les meilleures performances15,16. En outre, la méthode d'électrodéposition s'est avérée très prometteuse dans la production de vannes de spin avec un nombre très élevé de répétitions de couches (plus de 100 couches répétées17) ainsi que des nanofils fonctionnels pour les dispositifs caloritroniques de spin18,19,20. Bien qu'il faille mentionner que l'électrodéposition n'a pas la capacité de fournir des films ultra-minces sans vides ou de créer des multicouches de divers types de matériaux en une seule croissance21. La mise en œuvre de matériaux 2D en contact avec des couches minces ferromagnétiques a été difficile22,23 et de telles structures sont réalisées en transférant les couches 2D telles que fabriquées sur les couches ferromagnétiques24. En plus de leur méthode de fabrication en plusieurs étapes, les contacts des matériaux sont médiocres ce qui limite jusqu'à présent leur reproductibilité et leur évolutivité25. Par conséquent, le développement d'une nouvelle méthode de fabrication pour la fabrication d'une hétérostructure de matériaux 2D/couches ferromagnétiques est exigé pour obtenir un rendement et une fonctionnalité plus élevés.

Dans ce travail, nous utilisons la méthode d'électrodéposition pour la fabrication de films magnétiques Py et présentons la co-électrodéposition de flocons minces de MoS2 avec des éléments ioniques de la solution. La spectroscopie Raman indique une incorporation réussie de minces flocons de MoS2 à l'intérieur du film magnétique développé. Les propriétés magnétiques de la couche avec des flocons de MoS2 montrent des différences importantes avec la couche ferromagnétique nue, y compris une coercivité magnétique et un paramètre d'amortissement plus élevés qui sont directement liés à l'amélioration du SOC du milieu. Nos résultats indiquent que notre méthode de fabrication a abouti à une bonne proximité entre le MoS2 et le matériau magnétique pour induire le SOC dans le ferromagnétique. Notre méthode a la possibilité d'être utilisée pour la croissance de gradients ou de multicouches du matériau étudié grâce au contrôle des conditions de croissance telles que la tension/courant de croissance appliqué.

L'exfoliation de MoS2 a été réalisée pour une poudre de 1 g de MoS2 (Aldrich, 99%, < 2 μm) dans 100 ml d'eau distillée, équivalente à 10 gl-1 de MoS2 (Fig. 1a). La poudre de MoS2 a été exfoliée pendant 4 h à l'aide d'une sonde à sonication équipée d'une pointe de corne à long pas. Afin d'éviter un échauffement excessif, la sonde sonique a été réglée pour fonctionner 0,7 s et se reposer pendant 0,3 s et un bain d'eau glacée a également été utilisé pendant l'exfoliation. La solution résultante a été centrifugée pendant 30 min à 200 tr/min pour éliminer les particules non exfoliées.

(a) Schéma de l'exfoliation MoS2 par sonde sonication (ci-dessus) et le schéma de l'électrodéposition des échantillons (ci-dessous). (b) L'absorption UV-Visible du MoS2 exfolié et (c) le spectre Raman des échantillons Py et MoS2@Py.

L'électrodéposition a été réalisée à partir de deux solutions différentes. La première solution pour l'électrodéposition de l'échantillon de Py avait la composition de 0,4 M NiSO4.6H2O, 0,04 M FeSO4.7H2O et 0,4 M H3BO3 (préparé à l'origine par Merk) dans de l'eau distillée. 200 ml de cette solution ont été utilisés pour l'électrodéposition. Pour l'électrodéposition de l'échantillon de MoS2 conjugué au Py (MoS2@Py), une deuxième solution a été préparée comme suit. Tout d'abord, 100 ml de la même solution avec des molarités doublées ont été préparés, puis 100 ml de la solution de MoS2 exfoliée y ont été ajoutés. De cette façon, les molarités finales des ions Ni et Fe sont similaires dans les deux solutions. Les substrats de Si (surface polie d'un seul côté) ont été coupés en tranches de 1,5 × 1,5 cm. Afin de nettoyer la surface du Si de l'oxyde natif, ils ont été plongés dans une solution à 10% de HF (acide chlorhydrique) pendant 45 s, puis lavés respectivement avec de l'éthanol, de l'acétone et de l'eau distillée, et séchés par pompe à air. Ensuite, les substrats de Si ont été immédiatement transférés dans la cellule d'électrodéposition pour empêcher une oxydation de surface supplémentaire. Une configuration de cellule à deux électrodes avec une source de courant continu a été utilisée pour les électrodépositions. Un Si platiné de 2 × 1 cm a été utilisé comme anode et un substrat de Si comme cathode. Les échantillons Py et MoS2@Py ont été électrodéposés en appliquant une tension continue de 10 V à température ambiante pendant 120 et 150 s, respectivement.

Les spectroscopies UV-Visible (Perkin Elmer, Lambda25) et Raman (Teksan) ont été réalisées à température ambiante. La surface a été sondée par mesure de microscopie à force atomique (AFM, nanosurf). La spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX) et la cartographie élémentaire ont été mesurées par un microscope électronique à balayage à émission de champ (FESEM, Hitachi). Les boucles d'hystérésis magnétiques ont été mesurées par effet Kerr magnéto-optique longitudinal (MOKE), avec une lumière laser de 632 nm (une configuration maison). Les mesures de résonance ferromagnétique (FMR) ont été effectuées par une technique de verrouillage de modulation de champ maison dans la gamme de fréquences de 2 à 20 GHz (pour plus de détails, voir les informations complémentaires).

Le schéma de l'état d'exfoliation est représenté sur la figure 1a où la force des molécules d'eau entraîne l'exfoliation de la poudre de MoS2 en flocons minces. Pour caractériser la qualité du MoS2 exfolié dans l'eau, une mesure d'absorption UV-Visible a été utilisée. Le résultat de ces mesures peut être vu sur la figure 1b. Les pics A et B à 559 et 663 nm respectivement sont la caractéristique de quelques dispersions de MoS2 de couche. Après la préparation de la solution et l'électrodéposition des couches (Fig. 1a ci-dessous), la caractérisation Raman est utilisée pour voir si les flocons de MoS2 sont incrustés dans le corps de la couche Py. La figure 1c présente le spectre Raman pour les échantillons Py et MoS2@Py. Des pics Raman à 379 et 403 cm-1 montrent clairement la présence de flocons de MoS2 dans la couche électrodéposée26. L'échantillon de Py nu ne montre aucun pic dans son spectre Raman car il a une nature métallique.

La topographie de surface des échantillons Py et MoS2 @ Py a été observée avec l'AFM et présentée sur les figures 2a et b, respectivement. Les images AFM montrent que les deux échantillons ont une structure de surface similaire avec une rugosité de surface moyenne accrue pour l'échantillon MoS2@Py à 45 nm par rapport à la rugosité de surface moyenne de 20 nm de l'échantillon Py. De plus, la caractérisation FESEM des échantillons Py et MoS2 @ Py a été réalisée et les résultats sont présentés sur les figures 2c et d, respectivement. On peut voir que les deux échantillons ont une structure granulaire avec une taille de grain accrue pour l'échantillon MoS2@Py. Des images FESEM en coupe transversale des échantillons sont également présentées à l'appui des informations qui montrent des épaisseurs de ~ 50 et ~ 100 nm pour les échantillons Py et MoS2@Py (erreur de ~ 10 %), respectivement. L'épaisseur plus élevée observée des échantillons MoS2 @ Py est liée à l'occupation partielle de l'espace par MoS2 et également au temps d'électrodéposition légèrement plus élevé de cet échantillon. La distribution de MoS2 dans la couche Py a été mise en évidence par la mesure EDX. La figure 2e – h représente la cartographie EDX des éléments Ni, Fe, Mo et S où la distribution uniforme des couleurs montre le mode de réalisation uniforme de MoS2. De plus, le rapport atomique de Ni:Fe est de 4:1.

Mesure AFM des échantillons (a) Py et (b) MoS2@Py. Les images FESEM des échantillons (c) Py et (d) MoS2@Py. (e) et (f) sont la cartographie EDX de l'échantillon Py et (g) et (h) la cartographie EDX de l'échantillon MoS2@Py.

En continu, les propriétés magnétiques des échantillons sont étudiées à travers les mesures MOKE et FMR. Les résultats de mesure longitudinale de MOKE sont présentés sur la figure 3a montrant que les deux échantillons ont une anisotropie magnétique dans le plan. Deux différences importantes sont apparues dans le signal MOKE des échantillons. L'un est la coercivité beaucoup plus élevée (Hc) de l'échantillon MoS2 @ Py qui est représenté sur la figure 3b. Le Hc pour l'échantillon Py est de ~ 10 Oe et a augmenté à ~ 30 Oe pour l'échantillon MoS2@Py, ce qui équivaut à une augmentation de 300 %. Dans le cas des films, il a été démontré que l'anisotropie magnétique des couches ferromagnétiques change à proximité des matériaux en couches TMDC en raison de l'hybridation dd à l'interface11,13,14. Dans le cas de l'échantillon MoS2 @ Py, toutes les directions interfaciales entre Py et MoS2 sont possibles, ce qui a globalement entraîné le changement de coercivité observé dans le plan. Généralement, l'anisotropie magnétique dépend fortement du SOC27,28,29 et par l'ajout de MoS2 en tant que matériau à haut SOC à la couche, des changements dans l'anisotropie magnétique sont attendus. Il convient de noter que l'augmentation de la coercivité dans le plan peut résulter de l'augmentation de l'épaisseur en raison de l'émergence de la composante d'anisotropie magnétique plane à des épaisseurs plus élevées30,31,32,33,34. Pour voir si l'augmentation observée de Hc dans nos échantillons est due à l'épaisseur relativement plus élevée de l'échantillon MoS2 @ Py, nous avons effectué des mesures MOKE pour différentes épaisseurs de couche Py et seul un léger changement dans le Hc a été observé (pour les détails, voir support information). Par conséquent, nous concluons que les changements observés dans les propriétés magnétiques de Py sont dus à sa proximité avec MoS2. De plus, le Hc des échantillons peut être affecté par la taille de grain35 et les images AFM et SEM indiquent une taille de grain comparativement plus grande pour l'échantillon MoS2@Py. Mais la qualité du signal MOKE totalement différente de l'échantillon MoS2 @ Py, y compris la pente du tracé, indique que la présence de MoS2 joue un rôle crucial dans cette augmentation de Hc.

(a) signal MOKE mesuré pour les échantillons et (b) comparaison de l'intensité du signal Hc et MOKE des échantillons. (c) le signal FMR observé à f = 14 GHz, (b) la courbe ajustée f et Hres basée sur la formule de Kittel et (c) les données de FWHM en fonction de f et leur ajustement basé sur la relation d'amortissement.

L'autre observation du signal MOKE est l'intensité de signal beaucoup plus élevée de l'échantillon MoS2@Py par rapport à l'échantillon Py qui est augmenté de 275 %. Deux mécanismes peuvent jouer un rôle dans l'augmentation du signal MOKE observée pour l'échantillon MoS2@Py : (1) augmentation de l'aimantation à saturation (Ms) et (2) augmentation de l'interaction de la lumière avec la matière36,37. Ici, l'augmentation du signal MOKE ne peut pas être due à l'augmentation de la MS, car la MS diminue pour l'échantillon MoS2@Py (voir la section FMR). Par conséquent, l'augmentation du signal MOKE peut être liée à l'interaction accrue entre la lumière et l'échantillon MoS2@Py. Pour le cas des hétérostructures ferromagnétiques multicouches / TMDC, il a été rapporté qu'une épaisseur, un indice de réfraction et un angle d'incidence appropriés peuvent former une cavité38,39. Ici, nous avons obtenu une amélioration du signal MOKE en composant des flocons de MoS2 avec la couche magnétique. L'amélioration de l'interaction lumière-matière a également été obtenue par dépôt électrophorétique de nanostructures de MoS240. La simulation du signal MOKE pour l'échantillon MoS2 @ Py composé est encouragée pour obtenir la structure de composition optimisée. De plus, nous n'ignorons pas la possibilité que la plus grande taille de grain dans le MoS2 @ Py soit partiellement responsable de l'augmentation observée de l'intensité du signal MOKE. Pour déterminer la contribution exacte de chaque paramètre, d'autres expériences devraient être conçues.

Nous avons également mesuré les caractéristiques FMR des échantillons pour voir comment MoS2 peut affecter la dynamique d'aimantation de la couche Py. La réponse dynamique en spin des échantillons étudiés à différentes fréquences micro-ondes constantes allant de 2 à 20 GHz et en balayant H de 0 à 4500 Oe. Les spectres FMR observés ont été ajustés avec la dérivée de la fonction lorentzienne pour déterminer le champ de résonance (Hr) et FWHM (∆H) à chaque fréquence. La figure 3c présente le signal FMR mesuré des échantillons (points) et leur ajustement (ligne continue) à f = 14 GHz. La dépendance en fréquence de Hr pour les échantillons Py et MoS2 @ Py est visible sur la figure 3d (points). Les lignes pleines de cette figure sont les données ajustées par l'équation de Kittel. La dépendance de la fréquence FMR au champ magnétique externe pour les couches minces en supposant des dimensions infinies qui sont saturées dans le plan peut être décrite par la formule de Kittel41,

où \({\upmu }_{0}\) est la perméabilité de l'espace libre, \(\gamma\) est le rapport gyromagnétique (28 GHz/Tesla), H est le champ magnétique externe et \(H_{k }\) est le champ d'anisotropie uniaxial qui est négligeable pour les films de Py de faible épaisseur. Les MS résultant de cet ajustement sont de 10 448 et 9 391 Oe pour les échantillons Py et MoS2@Py, respectivement. On observe une diminution d'environ 10% de la Ms de l'échantillon MoS2@Py qui peut être comprise via le caractère non magnétique du MoS2 qui se traduit par une plus faible aimantation par unité de volume. De plus, les deux échantillons ne présentent pas d'anisotropie magnétique. En utilisant la relation d'amortissement42, comme suit :

et en ajustant les données, nous pouvons calculer le paramètre d'amortissement des échantillons. Ici ΔH0 est l'élargissement inhomogène, et \(\alpha\) est le paramètre d'amortissement de Gilbert. L'ajustement des données basé sur cette équation peut être vu sur la figure 3e. La valeur de ΔH0 pour les échantillons Py et MoS2@Py est respectivement de 114 et 231 Oe. Tous les paramètres obtenus à partir des données FMR sont présentés dans le tableau 1.

Dans les résultats obtenus, nous constatons un doublement du coefficient d'amortissement dans l'échantillon MoS2@Py par rapport à l'échantillon Py, qui est passé de 0,018 à 0,023. De nombreux rapports montrent que le revêtement d'une couche non magnétique sur une couche ferromagnétique peut conduire à l'amélioration du paramètre d'amortissement43,44,45. Plusieurs mécanismes ont été proposés pour l'amélioration du paramètre d'amortissement dans de telles bicouches. Le SOC et l'hybridation dd interfaciale provoquent l'amélioration de l'amortissement intrinsèque, tandis que l'amélioration extrinsèque de l'amortissement peut provenir de processus de diffusion à deux magnons, en raison de la rugosité et des défauts au niveau de la région d'interface46,47,48. Dans le cas de notre échantillon, l'incorporation de MoS2 dans la couche Py entraîne une augmentation des interfaces entre Py et MoS2 et, par conséquent, la contribution intrinsèque et extrinsèque peut contribuer à l'augmentation observée du paramètre d'amortissement. De plus, le couplage entre une couche FM et une couche NM adjacente peut améliorer l'amortissement effectif de la précession de l'aimantation via l'effet de pompage de spin44,49. Par exemple, de nombreux groupes ont récemment démontré la génération de couple spin-orbite dans des dispositifs fabriqués avec le Py/WTe250, CoFeB/MoS2 ou WSe251, et Py/MoS252 et le processus réciproque (génération de tension à partir du spin-pompage) dans MoS2/Al /Co hétérostructures53. Dans le cas de notre échantillon MoS2@Py, nous observons les phénomènes via un paramètre d'amortissement amélioré dans une couche magnétique relativement épaisse grâce à la réalisation des flocons de MoS2 à l'intérieur de la couche qui donne une surface de contact élevée entre MoS2 et Py.

MoS2 a été incorporé avec succès dans la structure du film mince magnétique Py par la méthode d'électrodéposition. La couche avec des flocons de MoS2 montre une coercivité magnétique et un paramètre d'amortissement de Gilbert plus élevés, indiquant la bonne liaison entre le MoS2 et le matériau magnétique. De plus, la cavité de lumière dans l'échantillon MoS2@Py a entraîné une multiplication par trois du signal MOKE, ce qui ouvre la voie à la recherche sur l'optimisation des capteurs MOKE ainsi qu'aux études fondamentales dans le domaine. En raison de la capacité d'appliquer notre méthode à un grand nombre de matériaux ferromagnétiques/TMDC, il existe un grand potentiel pour le développement ultérieur de dispositifs spintroniques et magnoniques fonctionnels.

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Nous reconnaissons (Iran National Science Foundation (INSF) sous Grant 97001939 et Iran Science Elite Federation (ISEF).

Génie des matériaux, Faculté de génie, Université de Téhéran, Téhéran, Iran

Eau Mahdi Youssef

Département de physique, Université Shahid Beheshti, Evine, Téhéran, 19839, Iran

Mahdi Yousef Vand, Loghman Jamilpanah, Mohammad Zare et Seyed Majid Mohseni

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Correspondance à Seyed Majid Mohseni.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Yousef Vand, M., Jamilpanah, L., Zare, M. et al. Couches minces magnétiques de NiFe composant des nanostructures de MoS2 pour application spintronique. Sci Rep 12, 9809 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14060-w

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Reçu : 19 février 2022

Accepté : 31 mai 2022

Publié: 13 juin 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-14060-w

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