Banebrydende homøpitaksial grafentunnelbarriere/transportkanalanordning

Forskere ved U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har skabt en ny type tunnelanordningsstruktur, hvor tunnelbarrieren og transportkanalen er lavet af det samme materiale, grafen. De viser, at fortyndet fluoreret grafen, et enkelt atomlag af kulstofatomer arrangeret i en todimensionel (2D) honeycomb-array, fungerer som en tunnelbarriere på et andet lag grafen til ladnings- og spintransport. De demonstrerer tunnelinjektion gennem den fluorerede grafen, og lateral transport og elektrisk detektion af ren spinstrøm i grafenkanalen. De rapporterer endvidere de højeste spin-injektionsværdier, der endnu er målt for grafen, at give bevis for forbedringen af ​​tunnelspinpolarisering, der teoretisk forudsiges at forekomme for visse ferromagnetiske metaller på grafen. Denne opdagelse åbner en helt ny vej til at gøre yderst funktionelle, skalerbare grafen-baserede elektroniske og spintroniske enheder en realitet.

Forskningsresultaterne er rapporteret i et papir offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation den 21. januar, 2014.

De koblede imperativer for reduceret varmeafledning og strømforbrug i højdensitetselektronik har genoplivet interessen for enheder baseret på tunneling, et kvantemekanisk fænomen, hvor elektroner passerer gennem en potentiel barriere i stedet for at gå over den. Fordi tunnelbarrieren og transportkanalen typisk er meget forskellige materialer, sådanne enheder kræver sammenkobling af uens materialer, rejser spørgsmål om heteroepitaxi, lag ensartethed, grænsefladestabilitet og elektroniske defekttilstande, der komplicerer fremstillingen alvorligt og kompromitterer ydeevnen.

"2D-materialer såsom grafen og sekskantet bornitrid undgår disse problemer og tilbyder et nyt paradigme for tunnelbarrierer", forklarer Dr. Berend Jonker, Seniorforsker og projektleder. I masseform, disse materialer består af veldefinerede lag, som udviser meget stærk atombinding i planet, men relativt svag binding mellem lagene, kendt som van der Waals bonding. Enkelte lag kan let adskilles fra bulken, eller dyrket direkte over store områder ved en række forskellige teknikker. Disse lag har således en stærk tendens til at være meget ensartede i tykkelse ned til et enkelt atom, har meget få defekter, og blandes ikke let med andre materialer - disse er nøgleegenskaber for en tunnelbarriere, hvor tunnelstrømmen afhænger eksponentielt af barrierens tykkelse.

NRL-forskerne fluorerer det øverste lag af et grafen-dobbeltlag for at afkoble det fra det nederste lag, så den fungerer som en enkeltlags tunnelbarriere for både ladning og spin-injektion i den nedre grafenkanal. De afsætter ohmske (guld) og ferromagnetiske permalloy (røde) kontakter som vist på figuren, danner en ikke-lokal spin-ventilstruktur. Når der påføres en forspændingsstrøm mellem de to venstre kontakter, en spin-polariseret ladningsstrøm går fra permalloyen ind i grafentransportkanalen, genererer en ren spinstrøm, der diffunderer til højre. Denne spinstrøm detekteres som en spænding på den højre permalloy-kontakt, der er proportional med graden af ​​spinpolarisering og dens orientering. Den vektorielle karakter af spin (sammenlignet med den skalære karakter af ladning) giver yderligere mekanismer til kontrol og manipulation, der er nødvendig for avanceret informationsbehandling.

NRL-teamet demonstrerede den højeste spin-injektionseffektivitet nogensinde målt for grafen (63 %), og fastlagte spin-levetider med Hanle-effekten. I modsætning til de fleste oxidtunnelbarrierer på grafen, fluoreret grafen giver meget større tunnelspinpolarisationseffektivitet, tilskrives interface spin-filtrering og en mere ensartet, velkontrolleret barriere, og tillader observation af den teoretisk forudsagte Hanle-spænding og spin-levetid på gate-spænding.

Disse resultater identificerer en ny vej mod høj kvalitet, næste generation af grafen elektroniske/spintroniske enheder inklusive spin-baserede transistorer, logik, og hukommelse. Ud over, processen er fuldstændig skalerbar og let at udføre. "I den nærmeste fremtid, " forudsiger Dr. Adam Friedman, hovedforfatter på projektet, "Vi vil være i stand til at skrive hele spintroniske kredsløb in situ på vokset, store områder af tolagsgrafen blot ved selektivt kemisk at modificere det øverste lag af grafen." Fluorografen/grafen muliggør realisering af homoepitaksiale fålags kulstofstrukturer til alsidige elektroniske enheder.