Figura 1. (a) Un flake micrometrico di materiale ferroelettrico 2D incapsulato all'interno di grafene (Gr) e nitruro di boro esagonale (hBN)/Au per realizzare una struttura top-bottom in cui compiere misure di inversione della polarizzazione ferroelettrica. (b) Immagine al microscopio ottico di un monostrato ferroelettrico vdW e relativo schema (c). (d) Un flake di magnete 2D esfoliato su contatti disposti a formare una barra di Hall per la caratterizzazione magneto-elettrica dei flake. (e) Esempio di ingegnerizzazione termica delle proprietà locali dei materiali 2D utilizzando la punta calda di un microscopio a forza atomica speciale chiamato "nanofrazor". In questo esempio, il riscaldamento è usato per controllare la tensione locale in MoS2. (f) Geometria di un dispositivo usato per esperimenti di misura dell’efficienza di conversione della corrente spin-carica e alcuni risultati esemplificativi.

La tesi in un tweet

Queste tesi, svolte in collaborazione con il Massachusetts Institute of Technology (MIT), tratteranno diversi materiali 2D, sia ferroelettrici che magnetici. I lavori si concentreranno sullo studio delle loro proprietà legate allo spin-orbita mediante misure di trasporto su barre di Hall micrometriche.

Abstract

Il grafene e i materiali bidimensionali (2DM) sono rimasti un campo attivo di ricerca in scienza e ingegneria per oltre 15 anni dopo i primi rapporti sui 2DM. La grande quantità di dati disponibili e le alte prestazioni dei dimostratori di dispositivi lasciano pochi dubbi sul potenziale dei materiali 2D per applicazioni in elettronica, fotonica e sensori. Due argomenti interconnessi sono disponibili per i lavori di tesi.

Ferroelettrici bidimensionali van der Waals

Esistono materiali bidimensionali van der Waals (vdW) che supportano la ferroelettricità fino al limite dello spessore atomico. Spesso, la natura topologica di questi van der Waals può anche consentire un efficiente trasporto di spin e meccanismi di interconversione tra corrente di spin e carica. La possibilità di controllare il trasporto di spin agendo sullo stato ferroelettrico è un ingrediente cruciale per dispositivi spintronici oltre il CMOS, e una dimostrazione nei ferroelettrici 2D è ancora mancante. In questo contesto, la tesi indagherà:

• la stabilizzazione della ferroelettricità tramite patterning laser/calore (Fig. 1a-c);
• il controllo ferroelettrico del trasporto di spin (Fig. 1e-f).

Antiferromagneti e ferromagneti bidimensionali van der Waals

Altri materiali van der Waals sono ben noti per le loro proprietà magnetiche. La forza dei materiali magnetici 2D è l'estrema pilotabilità delle proprietà magnetiche tramite gating elettrico. La tesi si occuperà di interfacciare magneti vdW (Fig. 1d) con ferroelecttrici vdW per dimostrare il controllo elettrico non-volatile delle proprietà magnetiche.

Entrambi gli argomenti forniranno allo studente competenze chiave nei materiali 2D, nelle misurazioni di trasporto e nelle tecniche di fabbricazione eseguite in un ambiente di camera pulita.

Dove

• Laboratorio di Nanomagnetismo – Dipartimento di Fisica, Politecnico di Milano
• Polifab (http://www.polifab.polimi.it), micro and nanotechnology centre del PoliMI @ Campus Leonardo

Tempistiche indicative

• Durata: tipicamente da 6 a 9 mesi
• 4 settimane: training con strumenti della cleanroom; training per strumenti di caratterizzazione (ferro)elettrica/(ferro)magnetica di micro e nano strutture;
• Il resto del tempo: caratterizzazione magnetica e ferroelettrica di film sottili depositati su eterostrutture; design di devices; realizzazione dei dispositivi mediante litografia; caratterizzazione elettrica; interpretazione fisica dei risultati. I setup di misura sono già pronti e a disposizione, ma potrebbero essere soggetti a migliorie ed estensioni nel caso il candidato abbia le competenze necessarie per apportarle.

Competenze

Prerequisiti:

• Conoscenza della scienza dei materiali e fisica dello stato solido;

Competenze utili (saranno poi acquisite lungo il percorso di tesi):

• analisi dati e programmazione con Matlab;
• nozioni base di magnetism nella materia. - nozioni base sui ferroelettrici (qui il mio corso sull’argomento);
• nozioni base su micro e nano fabbricazione.

Expertise acquisite durante il lavoro di tesi:

• tecniche di micro e nano fabbricazione;
• programmazione avanzata e analisi dati con Matlab (o equivalentemente Python, ecc.);
• caratterizzazione magnetica e ferroelettrica di materiali 2D;
• caratterizzazione elettrica avanzata di dispositivi sia in modalità dc che ac;
• comunicazione scientifica efficace, presentazione di dati e report;
• lavoro di squadra.

Supervisor

Supervisor: Prof. Christian Rinaldi

Co-supervisor: Dott. Federico Fagiani

Per ulteriori informazioni, non esitate a contattare Prof. Rinaldi: christian.rinaldi@polimi.it

Informazioni aggiuntive

Informazioni aggiuntive sulla mia attività di ricercar sono disponibili al seguente link: https://rinaldi.faculty.polimi.it