Películas delgadas magnéticas de NiFe que componen nanoestructuras de MoS2 para aplicaciones espintrónicas

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 9809 (2022) Citar este artículo

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Demostramos una capa de nanoestructura hecha de nanoescamas de MoS2 conjugadas de película delgada de Ni80Fe20 (permalloy: Py). Las capas se fabrican en base a una codeposición de un solo paso de Py y MoS2 a partir de una solución única donde coexisten escamas iónicas de Ni y Fe y MoS2. Las películas delgadas sintetizadas con escamas de MoS2 muestran una coercitividad creciente y una mejora en el efecto Kerr magneto-óptico. El ancho de línea de la resonancia ferromagnética, así como el parámetro de amortiguamiento, aumentaron significativamente en comparación con los de la capa Py debido a la presencia de MoS2. La espectroscopia Raman y el mapeo elemental se utilizan para mostrar la calidad de MoS2 dentro de la película delgada de Py. Nuestro método de síntesis promete nuevas oportunidades para la producción electroquímica de dispositivos funcionales basados en espintrónica.

Los recientes logros prometedores en espintrónica, especialmente en películas delgadas magnéticas conjugadas con materiales bidimensionales (2D), han hecho que este tema sea interesante para estudios fundamentales para explorar su importante papel en los futuros dispositivos informáticos y de memoria basados en espintrónica1,2,3,4,5 . El fenómeno fundamental que deriva del núcleo en tales estructuras es la interacción espín-órbita (SOI)6,7. Para beneficiarse del SOI en los dispositivos espintrónicos, los materiales con alto acoplamiento espín-órbita (SOC), en su mayoría metales pesados como Pt y Ta8, se utilizan en dispositivos en contacto con películas delgadas magnéticas. Además, debido a los desarrollos recientes en el campo de los materiales 2D, se pone especial énfasis en la implementación de materiales 2D con sus interesantes propiedades en lugar de los metales pesados9,10 con alto SOC. Muchos estudios han demostrado el uso exitoso de dicalcogenuros de metales de transición (TMDC) en contacto con películas delgadas ferromagnéticas para mejorar el SOI, inducir anisotropía superficial, etc.11,12. Recientemente hemos demostrado que la anisotropía magnética se puede ajustar con MoS2 en la superficie de películas delgadas de Py13 y también se puede cambiar la anisotropía interfacial predicha en Co/fosforeno negro14. Aquí, demostramos alternativamente las propiedades magnéticas del cambio de Ni80Fe20 mediante la incorporación de copos delgados de MoS2. Esto muestra que toda la película delgada ferromagnética única posee propiedades magnéticas intrínsecas inducidas por SOC.

La fabricación de películas delgadas para dispositivos de espintrónica basadas en técnicas físicas como la pulverización catódica y la evaporación térmica han mostrado el mejor rendimiento15,16. Además, el método de electrodeposición ha demostrado ser muy prometedor en la producción de válvulas giratorias con un número muy alto de repeticiones de capa (más de 100 capas repetidas17) y también nanocables funcionales para dispositivos caloritrónicos giratorios18,19,20. Aunque cabe mencionar que la electrodeposición carece de la capacidad de proporcionar películas ultrafinas sin vacíos o realizar multicapas de diversos tipos de materiales en un solo crecimiento21. La implementación de materiales 2D en contacto con películas delgadas ferromagnéticas ha sido un desafío22,23 y tales estructuras se fabrican transfiriendo las capas 2D sobre las capas ferromagnéticas24. Además de su método de fabricación de varios pasos, los contactos de los materiales son deficientes, lo que hasta ahora limita su reproducibilidad y escalabilidad25. Por lo tanto, se exige desarrollar un nuevo método de fabricación para hacer heteroestructura de materiales 2D/capas ferromagnéticas para lograr un mayor rendimiento y funcionalidad.

En este trabajo, utilizamos el método de electrodeposición para la fabricación de películas magnéticas de Py y presentamos la coelectrodeposición de hojuelas finas de MoS2 con elementos iónicos de la solución. La espectroscopia Raman indica una realización satisfactoria de finas escamas de MoS2 dentro de la película magnética desarrollada. Las propiedades magnéticas de la capa con escamas de MoS2 muestran diferencias destacadas con la capa ferromagnética desnuda, incluida una mayor coercitividad magnética y un parámetro de amortiguación que están directamente relacionados con la mejora del SOC del medio. Nuestros resultados indican que nuestro método de fabricación ha resultado en una buena proximidad entre el MoS2 y el material magnético para inducir SOC en el ferromagnético. Nuestro método tiene la posibilidad de ser utilizado para el crecimiento de gradientes o multicapas del material investigado a través del control de las condiciones de crecimiento como el voltaje/corriente de crecimiento aplicado.

La exfoliación de MoS2 se realizó para un polvo de 1 g de MoS2 (Aldrich, 99%, < 2 μm) en 100 ml de agua destilada, equivalente a concentraciones de 10 gl−1 de MoS2 (Fig. 1a). El polvo de MoS2 fue exfoliado durante 4 h utilizando una unidad de sonda de sonicación equipada con una punta de cuerno de paso largo. Para evitar un calentamiento excesivo, la sonda de sónico se puso en funcionamiento durante 0,7 s y en reposo durante 0,3 sy también se utilizó un baño de agua con hielo durante la exfoliación. La solución resultante se centrifugó durante 30 min a 200 rpm para eliminar las partículas no exfoliadas.

(a) Esquema de la exfoliación de MoS2 por sonicación con sonda (arriba) y esquema de electrodeposición de muestras (abajo). (b) La absorción UV-Visible del MoS2 exfoliado y (c) el espectro Raman de las muestras de Py y MoS2@Py.

La electrodeposición se realizó a partir de dos soluciones diferentes. La primera solución para la electrodeposición de la muestra de Py tenía la composición de NiSO4.6H2O 0,4 M, FeSO4.7H2O 0,04 M y H3BO3 0,4 M (preparada originalmente de Merk) en agua destilada. Se usaron 200 ml de esta solución para la electrodeposición. Para la electrodeposición de la muestra de MoS2 conjugado con Py (MoS2@Py), se preparó una segunda solución de la siguiente manera. Primero se prepararon 100 ml de la misma solución con doble molaridad y luego se le añadieron 100 ml de la solución de MoS2 exfoliada. De esta manera, las molaridades finales de los iones Ni y Fe son similares en ambas soluciones. Los sustratos de Si (superficie pulida de un solo lado) se cortaron en rodajas de 1,5 × 1,5 cm. Para limpiar la superficie del Si del óxido nativo, se sumergieron en una solución de HF (ácido clorhídrico) al 10% durante 45 s, luego se lavaron con etanol, acetona y agua destilada respectivamente, y se secaron con una bomba de aire. Luego, los sustratos de Si se transfirieron inmediatamente a la celda de electrodeposición para evitar una mayor oxidación de la superficie. Para las electrodeposiciones se utilizó una configuración de celda de dos electrodos con una fuente de corriente continua. Se utilizó Si platinizado de 2 × 1 cm como ánodo y sustrato de Si como cátodo. Las muestras de Py y MoS2@Py se electrodepositaron aplicando un voltaje continuo de 10 V a temperatura ambiente durante 120 y 150 s, respectivamente.

La espectroscopia UV-Visible (Perkin Elmer, Lambda25) y Raman (Teksan) se llevaron a cabo a temperatura ambiente. La superficie se sondeó mediante medición de microscopía de fuerza atómica (AFM, nanosurf). La espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX) y el mapeo elemental se midieron mediante un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM, Hitachi). Los bucles de histéresis magnética se midieron mediante el efecto Kerr magneto-óptico longitudinal (MOKE), con una luz láser de 632 nm (una configuración casera). Las mediciones de resonancia ferromagnética (FMR) se realizaron mediante una técnica de bloqueo de modulación de campo casera en el rango de frecuencia de 2 a 20 GHz (para obtener detalles, consulte la información de respaldo).

El esquema de la condición de exfoliación se representa en la Fig. 1a, donde la fuerza de las moléculas de agua da como resultado la exfoliación del polvo de MoS2 en copos delgados. Para caracterizar la calidad del MoS2 exfoliado en agua, se utilizó la medición de absorción UV-Visible. El resultado de estas mediciones se puede ver en la Fig. 1b. Los picos A y B a 559 y 663 nm respectivamente son característicos de las dispersiones de MoS2 de pocas capas. Después de la preparación de la solución y la electrodeposición de las capas (Fig. 1a a continuación), se usa la caracterización Raman para ver si las escamas de MoS2 están incrustadas en el cuerpo de la capa de Py. La Figura 1c presenta el espectro Raman para muestras de Py y MoS2@Py. Los picos Raman a 379 y 403 cm−1 muestran claramente la presencia de escamas de MoS2 en la capa electrodepositada26. La muestra desnuda de Py no muestra ningún pico en su espectro Raman porque tiene una naturaleza metálica.

La topografía de la superficie de las muestras de Py y MoS2@Py se observó con AFM y se presentó en la Fig. 2a y b, respectivamente. Las imágenes de AFM muestran que ambas muestras tienen una estructura superficial similar con una rugosidad superficial media aumentada para la muestra MoS2@Py a 45 nm desde la rugosidad superficial media de 20 nm de la muestra Py. Además, se realizó la caracterización FESEM de las muestras de Py y MoS2 @ Py y los resultados se presentan en la Fig. 2c y d, respectivamente. Se puede ver que ambas muestras tienen una estructura granular con un tamaño de grano aumentado para la muestra MoS2@Py. También se presentan imágenes FESEM de la sección transversal de las muestras en la información de apoyo que muestran espesores de ~ 50 y ~ 100 nm para muestras de Py y MoS2@Py (~ 10 % de error), respectivamente. El mayor espesor observado de las muestras de MoS2@Py está relacionado con la ocupación parcial del espacio por MoS2 y también con el tiempo de electrodeposición ligeramente mayor de esta muestra. La distribución de MoS2 en la capa Py se ha evidenciado mediante la medición EDX. La Figura 2e-h representa el mapeo EDX de los elementos Ni, Fe, Mo y S donde la distribución de color uniforme muestra la realización uniforme de MoS2. Además, la relación atómica de Ni:Fe es 4:1.

Medición AFM de muestras (a) Py y (b) MoS2@Py. Las imágenes FESEM de (c) Py y (d) MoS2@Py muestras. (e) y (f) son el mapeo EDX de la muestra Py y (g) y (h) el mapeo EDX de la muestra MoS2@Py.

A continuación, se investigan las propiedades magnéticas de las muestras a través de las mediciones MOKE y FMR. Los resultados de la medición longitudinal de MOKE se presentan en la Fig. 3a y muestran que ambas muestras tienen una anisotropía magnética en el plano. Aparecen dos diferencias destacadas en la señal MOKE de las muestras. Uno es la coercitividad mucho más alta (Hc) de la muestra MoS2@Py que se muestra en la Fig. 3b. El Hc para la muestra de Py es de ~ 10 Oe y ha aumentado a ~ 30 Oe para la muestra de MoS2@Py, lo que equivale a un aumento del 300 %. En el caso de las películas, se ha demostrado que la anisotropía magnética de las capas ferromagnéticas cambia por la proximidad a los materiales en capas de TMDC debido a la hibridación dd en la interfaz11,13,14. En el caso de la muestra MoS2@Py, todas las direcciones interfaciales entre Py y MoS2 son posibles, lo que en general ha resultado en el cambio de coercitividad en el plano observado. En general, la anisotropía magnética depende en gran medida del SOC27,28,29 y, al agregar MoS2 como material con alto SOC a la capa, se esperan cambios en la anisotropía magnética. Se debe tener en cuenta que el aumento de la coercitividad en el plano puede resultar del aumento del espesor debido a la componente de anisotropía magnética emergente fuera del plano a espesores más altos30,31,32,33,34. Para ver si el aumento observado de Hc en nuestras muestras se debe al espesor relativamente mayor de la muestra de MoS2@Py, realizamos mediciones MOKE para diferentes espesores de la capa de Py y solo se observó un ligero cambio en el Hc (para más detalles, consulte información). Por lo tanto, concluimos que los cambios observados en las propiedades magnéticas de Py se deben a su proximidad a MoS2. Además, la Hc de las muestras puede verse afectada por el tamaño de grano35 y las imágenes AFM y SEM indican un tamaño de grano comparablemente mayor para la muestra de MoS2@Py. Pero la calidad de la señal MOKE totalmente diferente de la muestra MoS2@Py, incluida la pendiente de la gráfica, indica que la presencia de MoS2 desempeña un papel crucial en este aumento de Hc.

(a) señal MOKE medida para las muestras y (b) comparación de la Hc y la intensidad de la señal MOKE de las muestras. (c) la señal FMR observada a f = 14 GHz, (b) la curva ajustada f y Hres basada en la fórmula de Kittel y (c) los datos de FWHM versus f y su ajuste basado en la relación de amortiguamiento.

La otra observación de la señal MOKE es la intensidad de señal mucho más alta de la muestra MoS2@Py en relación con la muestra Py, que aumenta en un 275 %. Dos mecanismos pueden desempeñar un papel en el aumento de la señal MOKE observado para la muestra MoS2@Py: (1) aumento de la magnetización de saturación (Ms) y (2) aumento de la interacción de la luz con la materia36,37. Aquí, el aumento de la señal MOKE no puede deberse al aumento de MS, ya que la MS disminuye para la muestra MoS2@Py (consulte la sección FMR). Por lo tanto, el aumento de la señal MOKE puede estar relacionado con una mayor interacción entre la luz y la muestra de MoS2@Py. Para el caso de heteroestructuras de ferromagneto/TMDC multicapa, se ha informado que el espesor, el índice de refracción y el ángulo de incidencia adecuados pueden formar una cavidad38,39. Aquí logramos una mejora de la señal MOKE mediante la composición de escamas de MoS2 con la capa magnética. También se ha logrado mejorar la interacción luz-materia mediante la deposición electroforética de nanoestructuras de MoS240. Se recomienda la simulación de la señal MOKE para la muestra MoS2 @ Py compuesta para obtener la estructura de composición optimizada. Además, no ignoramos la posibilidad de que el tamaño de grano más grande en MoS2 @ Py sea parcialmente responsable del aumento de intensidad de la señal MOKE observado. Para determinar la contribución exacta de cada parámetro deben diseñarse más experimentos.

También hemos medido las características FMR de las muestras para ver cómo MoS2 puede afectar la dinámica de magnetización de la capa Py. La respuesta dinámica de espín de las muestras investigadas a diferentes frecuencias de microondas constantes que van desde 2 a 20 GHz y mediante barrido H de 0 a 4500 Oe. Los espectros FMR observados se ajustaron con la derivada de la función lorentziana para determinar el campo de resonancia (Hr) y FWHM (∆H) en cada frecuencia. La Figura 3c presenta la señal FMR medida de las muestras (puntos) y su ajuste (línea continua) a f = 14 GHz. La dependencia de la frecuencia de Hr para las muestras Py y MoS2@Py se puede ver en la Fig. 3d (puntos). Las líneas continuas en esta figura son los datos ajustados por la ecuación de Kittel. La dependencia de la frecuencia FMR del campo magnético externo para películas delgadas que asumen dimensiones infinitas y que están saturadas en el plano puede describirse mediante la fórmula de Kittel41,

donde \({\upmu }_{0}\) es la permeabilidad del espacio libre, \(\gamma\) es la relación giromagnética (28 GHz/Tesla), H es el campo magnético externo y \(H_{k }\) es el campo de anisotropía uniaxial que es insignificante para películas de Py con bajo espesor. Los MS resultantes de este ajuste son 10448 y 9391 Oe para las muestras de Py y MoS2@Py, respectivamente. Se observa una disminución de alrededor del 10 % en la Ms de la muestra de MoS2@Py, lo que puede entenderse a través del carácter no magnético del MoS2 que da como resultado una menor magnetización por unidad de volumen. Además, ambas muestras no muestran anisotropía magnética. Usando la relación de amortiguamiento42, como sigue:

y ajustando los datos podemos calcular el parámetro de amortiguamiento de las muestras. Aquí ΔH0 es el ensanchamiento no homogéneo, y \(\alpha\) es el parámetro de amortiguamiento de Gilbert. El ajuste de los datos basados en esta ecuación se puede ver en la Fig. 3e. El valor de ΔH0 para las muestras Py y MoS2@Py es 114 y 231 Oe respectivamente. Todos los parámetros obtenidos de los datos de FMR se presentan en la Tabla 1.

En los resultados obtenidos, vemos una duplicación del coeficiente de amortiguamiento en la muestra MoS2@Py en comparación con la muestra Py, que aumentó de 0,018 a 0,023. Hay muchos informes que muestran que el recubrimiento de una capa no magnética sobre una capa ferromagnética puede conducir a la mejora del parámetro de amortiguamiento43,44,45. Se han propuesto varios mecanismos para mejorar el parámetro de amortiguamiento en dichas bicapas. El SOC y la hibridación dd interfacial provocan la mejora de la amortiguación intrínseca, mientras que la mejora extrínseca de la amortiguación puede surgir de los procesos de dispersión de dos magnones, debido a la rugosidad y los defectos en la región de la interfaz46,47,48. En el caso de nuestra muestra, la incorporación de MoS2 en la capa Py da como resultado un aumento de las interfaces entre Py y MoS2 y, por lo tanto, tanto la contribución intrínseca como la extrínseca pueden contribuir al aumento observado del parámetro de amortiguamiento. Además, el acoplamiento entre una capa FM y una capa NM adyacente puede mejorar la amortiguación efectiva de la precesión de magnetización a través del efecto de bombeo de giro44,49. Por ejemplo, muchos grupos han demostrado recientemente la generación de torsión de giro-órbita en dispositivos fabricados con Py/WTe250, CoFeB/MoS2 o WSe251 y Py/MoS252 y el proceso recíproco (generación de voltaje a partir del bombeo de giro) en MoS2/Al /Co heteroestructuras53. En el caso de nuestra muestra de MoS2@Py, observamos los fenómenos a través de un parámetro de amortiguamiento mejorado en una capa magnética relativamente gruesa gracias a la incorporación de las escamas de MoS2 dentro de la capa, lo que proporciona una gran superficie de contacto entre MoS2 y Py.

MoS2 se incorporó con éxito dentro de la estructura de la película delgada magnética Py mediante el método de electrodeposición. La capa con escamas de MoS2 muestra una mayor coercitividad magnética y un parámetro de amortiguamiento de Gilbert, lo que indica la unión adecuada entre el MoS2 y el material magnético. Además, la cavidad de luz en la muestra de MoS2@Py resultó en un aumento de tres veces de la señal MOKE, lo que abre un camino para la investigación sobre la optimización de sensores MOKE y también para estudios fundamentales en el campo. Debido a la capacidad de aplicar nuestro método para un gran conjunto de materiales ferromagnéticos/TMDC, existe un gran potencial para un mayor desarrollo de dispositivos funcionales espintrónicos y magnónicos.

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Reconocemos (Fundación Nacional de Ciencias de Irán (INSF) bajo la subvención 97001939 y Federación de Élite de Ciencias de Irán (ISEF).

Ingeniería de Materiales, Facultad de Ingeniería, Universidad de Teherán, Teherán, Irán

Agua Mahdi Yousef

Departamento de Física, Universidad Shahid Beheshti, Evin, Teherán, 19839, Irán

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

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Correspondencia a Seyed Majid Mohseni.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Yousef Vand, M., Jamilpanah, L., Zare, M. et al. Películas delgadas magnéticas de NiFe que componen nanoestructuras de MoS2 para aplicaciones espintrónicas. Informe científico 12, 9809 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14060-w

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Recibido: 19 febrero 2022

Aceptado: 31 de mayo de 2022

Publicado: 13 junio 2022

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

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