Grafen ser lovende ud til fremtidige spintronic-enheder

Forskere ved Chalmers Tekniske Universitet har opdaget, at grafen med stort areal er i stand til at bevare elektronspin over en længere periode, og kommunikere det over større afstande, end man tidligere havde kendt. Dette har åbnet døren for udviklingen af ​​spintronics, med det formål at fremstille hurtigere og mere energieffektive hukommelse og processorer i computere. Resultaterne vil blive offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Vi mener, at disse resultater vil tiltrække megen opmærksomhed i forskningsmiljøet og sætte grafen på kortet for applikationer i spintroniske komponenter, " siger Saroj Dash, der leder forskergruppen ved Chalmers University of Technology.

Spintronics er baseret på elektronernes kvantetilstand, og teknologien bliver allerede brugt i avancerede harddiske til datalagring og magnetisk random access-hukommelse. Men her behøver den spin-baserede information kun at flytte et par nanometer, eller milliontedele af en millimeter. Hvilket er heldigt, fordi spin er en egenskab i elektroner, der i de fleste materialer er ekstremt kortvarig og skrøbelig.

Imidlertid, der er store fordele ved at udnytte spin som informationsbærer, i stedet for, eller ud over elektriske ladninger. Spintronics kunne gøre processorer betydeligt hurtigere og mindre energiforbrugende, end de er i dag.

Graphene er en lovende kandidat til at udvide brugen af ​​spintronics i elektronikindustrien. Den tynde kulfilm er ikke kun en fremragende elektrisk leder, men har også teoretisk set den sjældne evne til at opretholde elektronerne med spindet intakt.

"I fremtidige spin-baserede komponenter, det forventes, at elektronerne skal være i stand til at bevæge sig adskillige tiere af mikrometer med deres spin holdt på linje. Metaller, såsom aluminium eller kobber, ikke har kapacitet til at håndtere dette. Grafen ser ud til at være det eneste mulige materiale i øjeblikket, " siger Saroj Dash.

I dag, grafen fremstilles kommercielt af nogle få virksomheder ved hjælp af en række forskellige metoder, som alle er i en tidlig udviklingsfase.

Enkelt sagt, man kan sige, at grafen af ​​høj kvalitet kun kan opnås i meget små stykker, mens større grafen produceres på en måde, hvor kvaliteten enten er for lav eller har andre ulemper fra elektronikindustriens perspektiv.

Men den generelle antagelse bliver nu for alvor sat spørgsmålstegn ved de resultater, som forskergruppen på Chalmers har fremlagt. De har udført deres eksperimenter ved hjælp af CVD -grafen, som produceres ved kemisk dampaflejring. Metoden giver grafen en masse rynker, ruhed og andre defekter.

Men det har også fordele:Der er gode muligheder for produktion af storarealgrafen i industriel skala. CVD-grafenen kan også nemt fjernes fra kobberfolien, som den vokser på og løftes op på en siliciumwafer, som er halvlederindustriens standardmateriale.

Selvom kvaliteten af ​​materialet langt fra er perfekt, forskergruppen kan nu vise parametre for spin, der er op til seks gange højere end de tidligere rapporterede for CVD-grafen på et lignende substrat.

"Vores målinger viser, at spin-signalet er bevaret i grafenkanaler, der er op til 16 mikrometer lange. Den varighed, hvori spindene forbliver på linje, er blevet målt til at være over et nanosekund, " siger Chalmers-forsker Venkata Kamalakar, som er artiklens første forfatter.

"Dette er lovende, fordi det tyder på, at spin-parametrene kan forbedres yderligere, efterhånden som vi udvikler fremstillingsmetoden.

At forskere fokuserer på, hvor langt spin-strømmen kan kommunikeres, skal ikke opfattes som blot at handle om at sende information i et nyt materiale eller erstatte metaller eller halvledere med grafen. Målet er i stedet en helt ny måde at udføre logiske operationer og gemme information på. Et koncept, der hvis det lykkes, ville tage digital teknologi et skridt ud over den nuværende afhængighed af halvledere.

"Graphene er en god leder og har ingen båndgab. Men i spintronics er der ikke behov for båndgab til at skifte mellem til og fra, et og nul. Dette styres i stedet af elektronens op eller ned spin orientering, "Saroj Dash forklarer.

Et kortsigtet mål er nu at konstruere en logisk komponent, der ikke ulig en transistor, består af grafen og magnetiske materialer.

Hvorvidt spintronics i sidste ende fuldt ud kan erstatte halvlederteknologi er et åbent spørgsmål, der er meget forskning tilbage. Men grafen, med sine fremragende centrifugeringsevner, er højst sandsynligt med i denne sammenhæng.

Baggrund:

Dette er spin:

Spin er en kvantemekanisk egenskab ved elementarpartikler, som blandt andet giver anledning til fænomenet magnetisme. Spindet kan rettes enten op eller ned. For elektronerne i en normal elektrisk strøm, spindet er tilfældigt fordelt, og strømmen bærer intet spin-signal. Men ved hjælp af magneter, elektroner, der føres ind i en leder, kan polariseres, hvilket betyder, at de alle har deres spin rettet op eller ned. Du kan sammenligne elektronerne med en række små kompasnåle, alle peger mod nord eller syd. Udfordringen er at opretholde denne tilstand længe nok og over tilstrækkelig lange afstande.

Hvorfor spin virker i grafen:

Elektronens spin kan let forstyrres af miljøfaktorer. Atomer og deres krystalstrukturer i det ledende materiale har et elektrisk felt, som opfattes som et magnetfelt af elektronerne, der suser forbi. Men da kulstof er et så let atom med kun seks protoner arrangeret i en symmetrisk sekskantet struktur, denne magnetiske interferens vil være meget begrænset.

Det indre spin i en atomkerne er også en potentiel kilde til interferens. Men nettospin fra kernen er ubetydelig, da størstedelen af ​​kulstofatomerne er af C12 -isotopen, med lige så mange neutroner som protoner.

Tre måder at fremstille grafen på:

Nobelprismodtagerne Geim og Novoselov fremstillede grafen af ​​grafit ved hjælp af almindelig husholdningstape. Lignende metoder bruges i dag til at fremstille grafen af ​​høj kvalitet. Men stykkerne er små. The Graphensic Company, skabt af forskere ved det svenske Linköpings universitet, fremstiller grafen med stort areal, der "dyrkes" fra et substrat af siliciumcarbid.

På Chalmers Tekniske Universitet, grafen med stort areal fremstilles ved hjælp af den kemiske dampaflejringsmetode (CVD). Til studiet i Naturkommunikation , forskerne har brugt CVD-grafen købt hos virksomheden Graphenea i Spanien.