Forskere, der udforsker spintronik i grafen

Elektronik er baseret på manipulation af elektroner og andre ladningsbærere, men ud over gebyr, elektroner har en egenskab kendt som spin. Når spin manipuleres med magnetiske og elektriske felter, resultatet er en spin-polariseret strøm, der bærer mere information, end det er muligt med ladning alene. Spin-transport elektronik, eller spintronics, er genstand for aktiv efterforskning inden for Europas grafenflagskib.

Spintronics er undersøgelsen og udnyttelsen i solid-state-enheder af elektronspin og dets tilhørende magnetiske moment, sammen med elektrisk ladning. Nogle betragter emnet som esoterisk, i betragtning af den konceptuelt udfordrende kvantefysik og kemi, der ligger til grund for det, men det samme blev engang sagt om, hvad der i dag er almindelig elektronik. Virkeligheden er, at spintronics er et voksende område inden for anvendt videnskab og teknik, samt fascinerende ren videnskab i sin egen ret.

Elektronespin og kvantelogik

Inden man ser på spintronics i grafen, det er værd at bemærke, at spintronics allerede er etableret i et kritisk område af digital elektronik, nemlig datalagring.

Spin kan opfattes som rotationen af ​​elektronen omkring sin egen akse. Det er en form for iboende vinkelmomentum, og kan detekteres som et magnetfelt med en af ​​to orienteringer:op og ned. Kombiner disse magnetiske orienteringer med tænd/sluk-strømtilstande i binær logik, og vi har et system med fire stater, hvor de to magnetiske orienteringer danner en kvantebit, eller qubit.

Med hensyn til computerteknologi, fire tilstande frem for to giver højere dataoverførselshastigheder, øget processorkraft og hukommelsestæthed, og ekstra lagerkapacitet. Elektronspin giver en ekstra grad af frihed til at lagre og manipulere information.

Læsehovederne på moderne magnetiske harddiske udnytter de spin-relaterede effekter kendt som Giant Magnetoresistance (GMR) og Tunnel Magnetoresistance (TMR). I GMR-enheder, to eller flere lag af ferromagnetiske materialer er adskilt af et afstandsstykke. Når magnetiseringsvektorerne i de magnetiske lag er justeret, den elektriske modstand er lavere end når vektorerne er i modsat forstand. En enhed baseret på en sådan konfiguration er kendt som en centrifugeringsventil. I TMR, elektrontransport opnås ved kvantemekanisk tunneling af partiklerne gennem en isolator, der adskiller ferromagnetiske lag.

I begge tilfælde resultatet er en magnetfeltsensor, der kan bruges til at læse data magnetisk kodet på harddiskplader. Og ikke kun harddiske. To typer computerhukommelse – Magnetoresistive Random Access Memory og racerbanehukommelse – udnytter også elektronspin.

Spin transport i grafen

grafen, et atomart monolag af grafitisk kulstof, er et lovende materiale til spintronics-applikationer på grund af dets kapacitet til stuetemperatur spin-transport over relativt lange diffusionslængder på flere mikrometer. Graphen har også høj elektronmobilitet, og en indstillelig ladningsbærerkoncentration.

Interessen for rumtemperatur spin transport i grafen går tilbage til 2007, med eksperimenter udført af forskningsgruppen af ​​Groningen University fysiker og førende Graphene Flagship videnskabsmand Bart van Wees. En diskussion af den første praktiske demonstration af spintransport, sammen med en detaljeret teknisk oversigt over grafenspintronik i teori og praksis, kan findes i en artikel udgivet sidste år i det akademiske tidsskrift Natur nanoteknologi . En af anmeldelsesforfatterne er den Regensburg-baserede flagskibsforsker Jaroslav Fabian.

Van Wees-gruppens eksperimenter og efterfølgende undersøgelser viste en relativt lav spin-injektionseffektivitet på omkring 10 %, som blev tilskrevet enten et konduktansmisforhold mellem de ferromagnetiske metaller og grafen, eller andre kontaktrelaterede effekter. Betydeligt højere effektivitet blev opnået ved at bruge tynde film af magnesiumoxid som tunnelbarriere.

Yderligere tilgange blev også brugt, inklusive pinhole-kontakter på tværs af en isolerende barriere, gennemsigtige kontakter, hvor de ferromagnetiske elektroder er i direkte kontakt med grafenlaget, og brugen af ​​ikke-magnetiske metaller såsom kobber. I tilfælde af tunnelkørsel hen over en isolerende barriere, den største magnetomodstand målt var 130 ohm, svarende til en spin-injektionseffektivitet på over 60%.

At flytte fra små undersøgelser til undersøgelser af spintransport i grafen med stort område er et vigtigt skridt i retning af at muliggøre grafen-spintronik på waferskalaen med integreret kredsløb. Fokus her har været på spintransport i suspenderede grafenlag, og grafen aflejret på hexagonale bornitrid (hBN) substrater. Efterhånden som teknologien skrider frem, længere spinlængder og levetider observeres, og et praktisk eksempel på en sådan grafen-hBN-heterostruktur vil blive diskuteret i en opfølgende artikel.

At gøre grafen magnetisk

Oprettelse af magnetisk orden i grafen, som i sin uberørte tilstand er et stærkt diamagnetisk materiale, er en stor udfordring. Ikke desto mindre, inducering af magnetiske momenter i grafen er af vital betydning, hvis materialet skal bruges i spintronik. Håbet er at få en afstembar magnetisme gennem doping eller funktionalisering af grafen. Dette kunne opnås gennem defekter i materialets sekskantede krystalstruktur, eller påvirkningen af ​​adsorberede atomer på dens overflade.

Hydrogeneret grafen er et benchmark case for grafenmagnetisme, med hydrogenatomer, der kemisk absorberes på grafen på en reversibel måde. Dette skaber en ubalance i krystalgitteret, inducerer et magnetisk moment. Et andet interessant adatom er fluor, som binder sig til kulstof, omdanne grafen til en isolator med stort mellemrum. Ligesom med brint, fluor kan reversibelt kemisorberes på grafen.

"Graphene er et lovende materiale til spintronics, i betragtning af at dens spin-egenskaber ikke kun kan skræddersyes, men faktisk defineret af hvilke atomer og andre 2d-materialer du kombinerer med det, " siger Fabian. "Når de rigtige materialer er identificeret - og det er det, vi undersøger i flagskibet - åbner en vej mod specifikke teknologiske anvendelser."

Et manglende kulstofatom, eller ledig stilling i grafens struktur, skaber en spin-polariseret elektrontæthed ved at fjerne fire elektroner fra båndene, hvoraf tre danner 'dinglende bånd'-tilstande. To af disse dinglende bindinger bidrager med magnetiske momenter, men direkte bevis for den forudsagte π-magnetisme mangler.

Forlænger spin-levetiden

Maksimering af spin-levetiden er afgørende, når det kommer til anvendelser af grafen-spintronik. Teori forudsiger levetider på omkring et mikrosekund for uberørt grafen, hvorimod eksperimentet viser værdier, der spænder fra snesevis af picosekunder til nogle få nanosekunder. Kun med nanosekunders levetid og længere vil spintransport i grafen vise sig at være nyttig i virkelige applikationer. De mere end to størrelsesordener uoverensstemmelser er en alvorlig bekymring, og det antyder, at kilden til spinafslapning er af ydre oprindelse, såsom urenheder, defekter eller krusninger i det undersøgte grafen.

Centrifugeringstider på et par nanosekunder er blevet observeret eksperimentelt for grafen -spin -ventiler på siliciumdioxid -substrater med tunnelingskontakter, men med pinhole-kontakter er de målte levetider kun en brøkdel af et nanosekund. Kontaktinduceret spinafspænding er en væsentlig faktor. Dette kan minimeres ved at forbedre kvaliteten af ​​kontakterne, og gør afstanden mellem ferromagnetiske elektroder meget større end bulk grafen spin-afslapningslængden.

På trods af adskillige teoretiske undersøgelser, oprindelsen af ​​spin afslapning i grafen er kun lidt forstået. To mekanismer er blevet fremsat for at forklare eksperimentelle tendenser. Begge har deres oprindelse i metal og halvleder spintronics, og de er hver især afhængige af spin-orbit-kobling og momentumspredning. Spin-kredsløbskobling er interaktionen mellem en elektrons spin og dens bevægelse, hvilket fører til forskydninger i partiklens atomenerginiveauer som følge af samspillet mellem spindet og det magnetiske felt, der genereres af elektronens kredsløb omkring atomkernen.

Problemet er, at ingen af ​​de foreslåede spin -afslapningsmekanismer virker. Begge forudsiger mikrosekunders levetid, alligevel viser eksperimenter i bedste fald nogle få nanosekunder. Den eneste mekanisme, der stemmer overens med eksperimentet for både enkelt- og dobbeltlagsgrafen, er baseret på resonansspredning af lokale magnetiske momenter. Denne model blev foreslået af Fabians forskningsgruppe i Regensburg.

Hvad nyere undersøgelser viser, er, at elektronmobilitet ikke er den begrænsende faktor for spin levetid, og spredning mellem ladede partikler og urenheder er ikke primært ansvarlig for spinrelaksation i grafen. Det sagt, at bestemme den primære kilde til spinafspænding er fortsat en vigtig udfordring for grafenforskere. At identificere det skulle hjælpe med at øge spin-levetiden i grafen mod den teoretiske grænse, hvilket vil have vigtige konsekvenser for både grundlæggende videnskab og teknologiske anvendelser.

Fremtidige retninger

I konklusionen på deres Nature Nanotechnology review, Fabian og hans kolleger overvejer grafen i spin-overførsel drejningsmoment-baserede logiske enheder, der bruger spins og magneter til informationsbehandling. Spin-logiske enheder er nu en del af den internationale teknologikøreplan for halvledere, med henblik på deres optagelse i fremtidige computere.

Eksempler på spin-logiske enheder omfatter genskrivbare mikrochips, transistorer, logiske porte, magnetiske sensorer og halvledernanopartikler til kvanteberegning. Disse og andre muligheder for grafenbaseret spintronik er diskuteret i den nyligt offentliggjorte "Science and technology roadmap for graphene, relaterede todimensionelle krystaller, og hybridsystemer". Køreplanen blev udviklet inden for rammerne af Europas Graphene Flagship – et internationalt akademisk/industrielt konsortium, delfinansieret af Europa-Kommissionen, afsat til udviklingen af ​​grafen og andre lagdelte materialer.

Spintronics kan være et relativt ungt forsknings- og udviklingsområde, men i de senere år har vi set betydelige fremskridt mod lange centrifugeringstider og diffusionslængder i grafen og beslægtede materialer. Graphene Flagship-forskere er kernen i denne verdensomspændende indsats.