Forskere opdager spinprecession i silicium nanotråde

Forskere ved U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har rapporteret den første observation af spinprecession af spinstrømme, der flyder i en siliciumnanowire (NW) transportkanal, og bestemte spin-levetider og tilsvarende spindiffusionslængder i disse spintroniske enheder på nanoskala. Spinstrømmene blev elektrisk indsprøjtet og detekteret ved hjælp af ferromagnetiske metalkontakter med en tunnelbarriere bestående af enkeltlagsgrafen mellem metallet og silicium NW.

NRL-forskerholdet observerede spinprecession (Hanle-effekten) for både den spin-polariserede ladning nær kontaktgrænsefladen og for rene spinstrømme, der flyder i NW-kanalen. Sidstnævnte viser utvetydigt, at spins er blevet injiceret og transporteret i Si NW. Brugen af ​​grafen som tunnelbarriere giver en produktkontakt med lav modstand og rene magnetiske koblingsegenskaber, fordi det gnidningsløst bygger bro over NW og minimerer komplicerede magnetiske domæner, der ellers kompromitterer den magnetiske adfærd. Holdets opdagelse er et væsentligt skridt hen imod realiseringen af ​​højskalerede halvlederspintroniske enheder. Forskningsresultaterne er rapporteret i 19. juni 2015-nummeret af Naturkommunikation .

Halvleder nanotråde giver mulighed for yderligere at reducere transistorernes stadigt krympende dimensioner. At inkludere elektronspin som en ekstra tilstandsvariabel giver nye muligheder for informationsbehandling, muliggør fremtidig ikke-flygtig, omprogrammerbare enheder ud over den nuværende køreplan for halvlederteknologi. Silicium er en ideel vært for en sådan spin-baseret teknologi, fordi dens iboende egenskaber fremmer spin-transport, forklarer hovedforsker Dr. Olaf van't Erve.

Realisering af spin-baserede Si NW-enheder kræver effektiv elektrisk spin-injektion og detektion, som afhænger kritisk af grænseflademodstanden mellem en ferromagnetisk metalkontakt og NW. Dette er især problematisk med halvledende NW på grund af det overordentlig lille kontaktareal, som kan være af størrelsesordenen 100 nm2. Forskere har vist standard oxidtunnelbarrierer for at give god spin-injektion i plane Si-strukturer, men sådanne kontakter dyrket på NWs er ofte for modstandsdygtige til at give pålidelige og konsistente resultater. NRL-teamet udviklede og brugte en grafen-tunnelbarrierekontakt, der producerer fremragende spin-injektion og også opfylder flere vigtige tekniske kriterier:det giver et produkt med lav modstandsområde, et meget ensartet tunnellag med velkontrolleret tykkelse, rene magnetiske koblingsegenskaber for de magnetiske kontakter, og kompatibilitet med både det ferromagnetiske metal og silicium NW.

Brug af iboende 2D-lag såsom grafen eller hexagonalt bornitrid som tunnelkontakter på nanotråde giver mange fordele i forhold til konventionelle materialer aflejret ved dampaflejring (såsom Al2O3 eller MgO), muliggør en vej til meget skalerede elektroniske og spintroniske enheder. Brugen af ​​flerlagsgrafen i stedet for enkeltlagsgrafen i sådanne strukturer kan give meget højere værdier af tunnelspinpolarisationen på grund af båndstrukturafledte spinfiltreringseffekter forudsagt for udvalgte ferromagnetiske metal/flerlagsgrafenstrukturer. Denne stigning ville yderligere forbedre ydeevnen af ​​nanotrådsspintroniske enheder ved at give højere signal-støjforhold og tilsvarende driftshastigheder, fremme de teknologiske anvendelser af nanowire-enheder.