Een internationaal team van wetenschappers heeft een nieuwe route naar ultra-low-power transistors ontdekt met behulp van een op grafeen gebaseerd composietmateriaal.

Omdat transistors in steeds kleinere gebieden in computerchips worden geperst, de halfgeleiderindustrie worstelt om oververhitting van apparaten in te dammen.

Nu geloven onderzoekers van de Universiteit van York en de Roma Tre University dat de oplossing ligt in composietmaterialen die zijn opgebouwd uit monolagen van grafeen en het overgangsmetaal dichalcogenide (TMDC). Ze ontdekten dat deze materialen konden worden gebruikt om een ​​fijne elektrische controle over de spin van het elektron te bereiken - zijn kleine kompasnaald.

Het nieuwe onderzoek, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , zou de weg kunnen wijzen naar de broodnodige elektronica met een laag energieverbruik.

Hoofdonderzoeker dr. Aires Ferreira, van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van York, zei:"Jarenlang we hebben gezocht naar goede geleiders die een efficiënte elektrische controle over de spin van het elektron mogelijk maken.

"We ontdekten dat dit met weinig moeite kan worden bereikt wanneer tweedimensionaal grafeen wordt gecombineerd met bepaalde halfgeleidende gelaagde materialen. Onze berekeningen laten zien dat de toepassing van kleine spanningen over de grafeenlaag een netto polarisatie van geleidingsspins induceert.

"Wij geloven dat onze voorspellingen aanzienlijke belangstelling zullen trekken van de spintronica-gemeenschap. De flexibele, atomair dunne aard van de op grafeen gebaseerde structuur is een groot voordeel voor toepassingen. Ook, de aanwezigheid van een halfgeleidende component opent de mogelijkheid voor integratie met optische communicatienetwerken."

De spin van het elektron is als een kleine, puntvormige magneet die slechts in twee richtingen kan wijzen, op of neer. In materialen waar een groot deel van de spins van elektronen is uitgelijnd, een magnetische reactie wordt geproduceerd, waarmee informatie kan worden gecodeerd.

'Spin-stromen' - opgebouwd uit 'up' en 'down' spins die in tegengestelde richtingen stromen - dragen geen netto lading, en dus in theorie geen verwarming produceren. De controle van spin-informatie zou daarom de weg openen naar ultra-energie-efficiënte computerchips. Het team van onderzoekers toonde aan dat wanneer een kleine stroom door de grafeenlaag wordt geleid, de spin van de elektronen polariseert in het vlak als gevolg van 'spin-orbitale' krachten veroorzaakt door de nabijheid van de TMDC-basis. Ze toonden ook aan dat de efficiëntie van de conversie van lading naar spin behoorlijk hoog kan zijn, zelfs bij kamertemperatuur.

Manuel Offidani, een promovendus bij de afdeling Natuurkunde van York, de meeste complexe berekeningen in dit onderzoek uitgevoerd. Hij zei:"De stroomgeïnduceerde polarisatie van de spin van het elektron is een elegant relativistisch fenomeen dat ontstaat op het grensvlak tussen verschillende materialen.

"We kozen voornamelijk voor grafeen vanwege de uitstekende structurele en elektronische eigenschappen. Om de relativistische effecten van ladingsdragers in grafeen te versterken, we hebben de mogelijkheid onderzocht om het te matchen met recent ontdekte gelaagde halfgeleiders."

Professor Roberto Raimondi, die de spintronicagroep leidt aan de Roma Tre University, zei:"De mogelijkheid om de elektronenspin te oriënteren met elektrische stromen trekt veel aandacht in de spintronica-gemeenschap en ontstaat in het algemeen als gevolg van specifieke symmetrie-omstandigheden.

“Als zodanig is dit fenomeen een perfect voorbeeld waar fundamenteel en toegepast onderzoek goed samengaan. onze berekeningen tonen aan dat grafeen in combinatie met het overgangsmetaal dichalcogeniden een ideaal platform is waar abstracte theoretische principes onmiddellijk kunnen worden toegepast om de weg te wijzen naar experimentele en technologische ontwikkeling."

Stroomgeïnduceerde spinpolarisatie in niet-magnetische media werd voor het eerst aangetoond in 2001 in halfgeleiders en, recenter, in metallische hetero-interfaces. Nu voorspellen de onderzoekers dat een soortgelijk effect optreedt in grafeen op TMDC-monolaag.

Verrassend genoeg ontdekten ze dat het unieke karakter van elektronische toestanden in grafeen een lading-naar-spin-conversie-efficiëntie tot 94 procent mogelijk maakt. Dit opent de mogelijkheid dat een op grafeen gebaseerd composietmateriaal de basis wordt voor ultracompacte en groenere spin-logic-apparaten.

Dr Mirco Milletarì, een voormalig lid van de spintronics-groep aan de Roma Tre University, zei:"Dit werk volgt inzichten die zijn verkregen door het begrijpen van fundamentele wetten die ons in staat hebben gesteld om systemen te bedenken waarbij de efficiëntie van lading-naar-spin-conversie optimaal kan zijn voor technologische toepassingen. In het bijzonder, de broodnodige elektronica met een laag energieverbruik die de duurzaamheid en prestaties van toekomstige apparaten zal verbeteren."