Forskere opdager ny vej til spin-polariserede kontakter på silicium

(Phys.org) – Forskere ved Naval Research Laboratory har påvist, at grafen, et enkelt lag af kulstofatomer i et bikagegitter, kan tjene som en spinpolariseret tunnelbarrierekontakt med lav modstand, som med succes muliggør spininjektion/detektion i silicium fra et ferromagnetisk metal.

Grafen giver en meget ensartet, kemisk inert og termisk robust tunnelbarriere fri for defekter og fældetilstande, som plager oxidbarrierer. Denne opdagelse rydder en vigtig hindring for udviklingen af ​​fremtidige halvlederspintroniske enheder, det er, enheder, der er afhængige af at manipulere elektronens spin snarere end dets afgift for lav effekt, højhastigheds-informationsbehandling ud over den traditionelle størrelsesforøgelse af Moores lov.

Forskningsresultaterne er rapporteret i et papir offentliggjort i Natur nanoteknologi den 30. september, 2012.

Ferromagnetiske metaller, såsom jern eller permalloy, har iboende spin-polariserede elektronpopulationer (flere "spin-up" elektroner end "spin-down", se figur), og er således ideelle kontakter til injektion og påvisning af centrifugering i en halvleder. En mellemliggende tunnelbarriere er påkrævet for at undgå mætning af begge halvlederspinkanaler ved den meget større metalledningsevne - dette ville ellers resultere i ingen netto spinpolarisering i halvlederen. Imidlertid, de typisk anvendte oxidbarrierer (såsom Al2O3 eller MgO) introducerer defekter, fanget ladning og interdiffusion, og har modstande, som er for høje - alle disse faktorer påvirker ydeevnen alvorligt. For at løse dette problem, NRL -forskerholdet, ledet af Dr. Berend Jonker, brugt enkeltlags grafen som tunnelbarriere. Denne nye tilgang bruger en defektbestandig, kemisk inert og stabilt materiale med velkontrolleret tykkelse for at opnå en spinkontakt med lav modstand, der er kompatibel med både det valgte ferromagnetiske metal og halvleder. Disse kvaliteter sikrer minimal diffusion til/ og fra de omgivende materialer ved temperaturer, der kræves til fremstilling af enheden.

Forskerholdet brugte denne tilgang til at demonstrere elektrisk generering og detektering af spinakkumulering i silicium over stuetemperatur, og viste, at produkterne i kontaktmodstandsområdet er 100 til 1000 gange lavere end opnået med oxidtunnelbarrierer på siliciumsubstrater med identiske dopingniveauer.

Disse resultater identificerer en ny vej til produktspinpolariserede kontakter med lav modstandsområde, et centralt krav for halvleder-spintroniske enheder, der er afhængige af to-terminal magnetoresistens, herunder spin-baserede transistorer, logik og hukommelse, forklarer NRL's Dr. Berend Jonker.

Når man ser på fremtiden, NRL-holdet foreslår, at brugen af ​​flerlagsgrafen i sådanne strukturer kan give meget højere værdier af tunnelspinpolarisationen på grund af båndstrukturafledte spinfiltreringseffekter, som er blevet forudsagt for udvalgte ferromagnetiske metal-/flerlagsgrafenstrukturer. Denne stigning ville forbedre ydeevnen af ​​halvlederspintroniske enheder ved at give højere signal/støjforhold og tilsvarende driftshastigheder, fremme de teknologiske anvendelser af silicium spintronics.