CAREER: Multiferroicity in van der Waals Heterostructures

职业:范德华异质结构的多铁性

基本信息

  • 批准号:
    2340773
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 73.24万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2024
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2024-03-01 至 2029-02-28
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Nontechnical description: Ferromagnetic and ferroelectric materials can be used to build novel quantum devices, utilizing their magnetic properties even in absence of external fields. When ferromagnetic and ferroelectric materials are integrated together, forming the so-called “multiferroics”, the material functions are largely enhanced beyond the simple combination of two materials, leading to novel magnetoelectric phenomena. Especially when these materials are atomically thin, their interactions become even more exotic. The emerging ferromagnetic and ferroelectric materials provide intriguing building blocks for layer-by-layer assembling of novel multiferroic heterostructures. Understanding the fundamental magnetoelectric physics underlying the multiferroicity in such heterostructures and thereby developing effective approaches to manipulate the multiferroicity, have foundational significance for advancing these emerging heterostructures for ultracompact, energy-efficient spintronic devices. This project studies the effects of electrostatic doping, electric field, interfacial chemistry, and lattice strain on the resultant multiferroicity, potentially leading to the development of engineering approaches to advance human control of the new class of functional heterostructures. Students of various levels, including graduate, undergraduate, and high-school students, from all backgrounds, are trained with a broad range of expertise in 2D heterostructure assembling, nanodevice fabrication, cryogenic hardware manufacturing and operation, and a variety of microscopies and spectroscopies. This project can help strengthen the future workforce for the quantum information science and technologies in the U.S. and raise the public literacy of quantum technologies by the development of new course materials and local and regional educational activities.Technical description: The recently emerged ferromagnetic and ferroelectric 2D vdW materials are atomically thin crystals with long-range ferroic orders, providing ideal condense matter platforms for exploring the low-dimensional spin and dipole physics. When 2D ferromagnets and 2D ferroelectrics are integrated to form multiferroic heterostructures, the interplay between the disparate ferroic orders can generate a plethora of emergent magnetoelectric phenomena, potentially leading to novel low-power spintronic devices. The research objective of this project is to elucidate the fundamental mechanisms underlying the magnetoelectric multiferroicity in vdW heterostructures, including charge transfer induced doping, built-in electric field, interfacial hybridization, and piezoelectric strain effect. Given these factors are ubiquitous in heterostructure systems, understanding their roles in the resultant multiferroicity can provide critical insights for designing functional vdW heterostructures, which potentially transforms the landscape of ferroic quantum heterostructures and enabling disruptive spintronic and quantum technologies. Based on these fundamental understandings, effective engineering approaches can be developed to create heterostructures with desirable magnetoelectric physical properties. The main research approaches include assembling various types of vdW multiferroic heterostructures and fabricating these heterostructures based devices, which are further engineered by electrostatic doping, electric field, and piezoelectric strain. The resultant physical properties are probed by a range of microscopies and spectroscopiesThis award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
非技术描述:铁电材料和铁电材料也可用于构建新型的量子设备,即使在没有外部磁场的情况下,也可以利用其磁性。当将铁电磁材料和铁电材料整合在一起时,形成所谓的“多表情”时,材料功能在很大程度上得到了增强,而不是两种材料的简单组合,从而导致了新型的磁电现象。尤其是当这些材料在原子上很薄时,它们的相互作用变得更加异国情调。新兴的铁磁材料和铁电材料为新型多效异质结构的逐层组装提供了有趣的构件。了解此类异质结构中多效性的基本磁电物理学,从而开发有效的方法来操纵多效性,具有推进这些新兴异质结构以推进这些新兴异质结构的基本意义。该项目研究了静电掺杂,电场,界面化学和晶格菌株对所得多效性的影响,这可能导致工程方法的发展,以促进对新型功能异质结构的人类控制。来自各个背景的各个级别的学生,包括毕业生,本科生和高中生,在2D异质结构组装,纳米式工具制造,低温硬件制造和操作以及各种显微镜和各种显微镜和光谱方面都接受了广泛的专业知识。该项目可以帮助加强美国量子信息科学和技术的未来劳动力,并通过开发新课程材料以及本地和区域教育活动来提高量子技术的公共素养。技术描述:最近出现的铁磁和铁电磁材料的新出现的2D VDW材料与远程良好的良好的良好的良好的良好的良好的水平供应,可供应良好的水平,并提供理想的水晶,可提供理想的良好的良好端端,并提供了良好的良好的良好的良好的良好的良好的良好的水平。偶极子物理学。当将2D铁磁体和2D铁电体集成以形成多丝方异质结构时,不同的铁序阶之间的相互作用可以产生很多新兴的磁电现象,并可能导致新型的低功率纺纱设备。该项目的研究目的是阐明VDW异质结构中磁性多效性的基本机制,包括传输的诱导掺杂,内置电场,互面部杂交和PiezoEleclectric应变效应的电荷。鉴于这些因素在异质结构系统中无处不在,因此了解它们在由此产生的多效性中的作用可以为设计功能性VDW异质结构提供关键见解,从而有可能改变铁罗量子异质结构的景观并实现颠覆性的纺纱和量子技术。基于这些基本理解,可以开发有效的工程方法来创建具有理想磁场物理特性的异质结构。主要的研究方法包括组装各种类型的VDW多效异质结构并制造这些基于异质结构的设备,这些设备通过静电掺杂,电场和压电菌株进一步设计。由一系列显微镜探讨了所得的物理特性,而Spectroscopiesthis奖则反映了NSF的法定任务,并使用基金会的知识分子优点和更广泛的影响评估标准,被视为通过评估而被视为珍贵的支持。

项目成果

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