Forskere udvikler en ny homøpitaksial grafentunnelbarriere/transportkanal spintronisk enhed

Forskere ved U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har skabt en ny type rumtemperatur tunnelkonstruktion, hvor tunnelbarrieren og transportkanalen er lavet af det samme materiale, grafen. Sådanne funktionaliserede homoepitaxiale strukturer giver en elegant tilgang til realisering af grafen-baseret spintronic, eller spin elektronisk, enheder. Forskningsresultaterne er rapporteret i et papir offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

NRL-holdet viser, at hydrogeneret grafen, et brint-termineret enkelt atomart lag af kulstofatomer arrangeret i en todimensional bikagerække, fungerer som en tunnelbarriere på et andet lag grafen til ladnings- og spintransport. De demonstrerer spin-polariseret tunnelinjektion gennem den hydrogenerede grafen, og sidetransport, præcession og elektrisk detektion af ren spinstrøm i grafenkanalen. Holdet rapporterer yderligere højere spinpolarisationsværdier end fundet ved brug af mere almindelige oxidtunnelbarrierer, og centrifugeringstransport ved stuetemperatur.

På trods af næsten et årti med forskning i spintransport i grafen, der har været ringe forbedring i vigtige målinger såsom spin-levetiden og spindiffusionslængden, og rapporterede værdier forbliver langt under dem, der forudsiges af teori baseret på grafens lave atomnummer og spin-orbit-kobling. Forståelse af de ydre begrænsende faktorer og opnåelse af de teoretisk forudsagte værdier af disse metrikker er nøglen til at muliggøre typen af ​​avanceret, lav strøm, højtydende spintroniske enheder, der er forudset ud over Moores lov. Spredning forårsaget af tunnelbarrierer, som er afgørende for at løse konduktivitetsmismatchproblemet for elektrisk spin-injektion fra et ferromagnetisk metal ind i en halvleder, er et emne, der netop nu vækker opmærksomhed. Uniform, pinhole-/defektfri tunnelbarrierer på grafen er ikke let at opnå med de konventionelle metoder, der bruger oxider.

Hydrogenering af grafen tilbyder en alternativ metode til at opnå en homøpitaksial tunnelbarriere på grafen. I modsætning til fluorering og plasmabehandlinger, den kemiske hydrogeneringsproces udviklet af teammedlem Dr. Keith Whitener giver en hurtig, blidere og mere stabil funktionalisering med meget højere brintdækning. I øvrigt, nyere undersøgelser, også af NRL-hold, vise, at hydrogeneret grafen kunne være magnetisk, som kunne bruges til at styre spinrelaksation i grafen. På grund af dens ekstremt lave spin-kredsløbskobling, en sådan kontrol har været vanskelig. "Disse nye hydrogenerede grafen-homoepitaksiale enheder løser mange af de problemer, der plager grafen-spintronics og, med rumtemperaturdrift og eventuel styring med magnetiske momenter, tilbyder tydelige fordele i forhold til tidligere strukturer til integration med moderne elektronikarkitekturer, " forklarer Dr. Adam Friedman, hovedforfatter af undersøgelsen.

NRL-forskerne bruger kemisk dampaflejring til at vokse og deponerer derefter sekventielt en fire-lags (kun 4 atomer tyk) grafenstabel. De hydrogenerer derefter de øverste par lag, så de tjener som en 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 forskerne anvender 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 højere spin-injektionseffektivitet (16,5%) end de fleste tidligere grafen-spin-enheder, bestemte spin-levetider med Hanle-effekten, og observerede kun et 50 % tab i spinventilsignal fra 10 K til stuetemperatur (venstre graf).