Korngrænser i grafen påvirker ikke spintransport

Forskere fra ICN2 Theoretical and Computational Nanoscience Group samt Université catholique de Louvain har brugt numeriske simuleringer til at vise, at spindiffusionslængden er uafhængig af kornstørrelse. Resultaterne offentliggøres i Nano bogstaver og har implikationer for optimering af grafen-baserede spintroniske enheder.

Grafen er et materiale, der har vundet berømmelse i de senere år på grund af dets storslåede egenskaber. I særdeleshed, til spintronics, grafen er et værdifuldt materiale, fordi spins af de anvendte elektroner forbliver uændrede i relativt lang tid. Imidlertid, grafen skal produceres i stor skala for at kunne bruges i fremtidige enheder. Med den respekt, kemisk dampaflejring (CVD) er den mest lovende fremstillingsmetode.

CVD involverer dyrkning af grafen på et metallisk substrat ved høje temperaturer. I denne proces, genereringen af ​​grafen starter på forskellige punkter af substratet samtidigt. Dette producerer forskellige enkelt-krystal domæner af grafen adskilt fra hinanden gennem korngrænser, bestående af arrays af fem-, syv- eller endda otte-leddet kulstofringe. Det endelige produkt er, dermed, polykrystallinsk grafen.

Er polykrystallinsk grafen lige så god som enkeltkrystalgrafen til spintronik? Korngrænser er en væsentlig kilde til ladningsspredning, øger materialets elektriske modstand. Hvordan påvirker de spintransport?

Nogle forsøg tyder på, at korngrænser ikke spiller nogen større rolle for spintransport. I denne sammenhæng, Dr. Aron W. Cummings, fra ICN2 Theoretical and Computational Nanoscience Group, ledet af ICREA prof. Stephan Roche, sammen med forskere fra Université catholique de Louvain (Belgien), har brugt simuleringer af første principper til at studere virkningen af ​​korngrænser på spintransport i polykrystallinsk grafen. Undersøgelsen er publiceret i Nano bogstaver .

Forskerne har overvejet to forskellige mekanismer, hvorved spins kunne miste deres oprindelige orientering (spinrelaksation). Man forklarer randomiseringen af ​​spins i kornene på grund af spin-orbit-kobling, den anden overvejer muligheden for, at spins vendes på grund af spredning i en korngrænse. Imidlertid, forskerne fandt ud af, at sidstnævnte tilfælde ikke skete. Korngrænser har ingen negativ effekt på spintransport.

Derfor, spindiffusionslængde i polykrystallinsk grafen er uafhængig af kornstørrelse og afhænger kun af styrken af ​​den substrat-inducerede spin-orbit-kobling. I øvrigt, dette gælder ikke kun for det diffuse transportregime, men også for den svagt lokaliserede, hvor kvantefænomener begynder at sejre. Dette er den første kvantemekaniske simulering, der bekræfter, at det samme udtryk for spindiffusionslængde gælder i begge regimer.

Forskningen fremhæver det faktum, at enkelt-domæne grafen muligvis ikke er et krav til spintronics-applikationer, og at polykrystallinsk CVD-dyrket grafen kan fungere lige så godt. Dette sætter fokus på andre aspekter, der skal forbedres i grafenproduktion, såsom fjernelse af magnetiske urenheder.