Wetenschappers van het Naval Research Laboratory hebben aangetoond, Voor de eerste keer, het gebruik van grafeen als tunnelbarrière - een elektrisch isolerende barrière tussen twee geleidende materialen waardoor elektronen kwantummechanisch tunnelen. Ze rapporteren fabricage van magnetische tunnelknooppunten met behulp van grafeen, een enkele atoom dikke laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatrooster, tussen twee ferromagnetische metaallagen in een volledig schaalbaar fotolithografisch proces. Hun resultaten tonen aan dat enkellaags grafeen kan functioneren als een effectieve tunnelbarrière voor zowel ladings- als spingebaseerde apparaten, en de realisatie van complexere op grafeen gebaseerde apparaten mogelijk te maken voor zeer functionele circuits op nanoschaal, zoals tunneltransistoren, niet-vluchtig magnetisch geheugen en herprogrammeerbare spinlogica. Deze onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het online nummer van Nano-letters .

Het onderzoek initieert een "paradigmaverschuiving in tunnelbarrièretechnologie voor magnetische tunneljuncties (MTJ's) die worden gebruikt voor geavanceerde sensoren, geheugen en logica, " legt Dr. Berend Jonker van NRL uit. Grafeen is het middelpunt van intensieve onderzoeksactiviteiten geweest vanwege zijn opmerkelijke elektronische en mechanische eigenschappen. In het verleden was onderzoekers gericht op het ontwikkelen van grafeen als geleider, of misschien een halfgeleider, waar de stroom evenwijdig aan de koolstofhoningraatplaat in het vlak vloeit. In tegenstelling tot, de NRL-onderzoekers laten zien dat grafeen als een uitstekende tunnelbarrière dient wanneer de stroom loodrecht op het vlak wordt geleid, En in feite, behoudt ook de spinpolarisatie van de tunnelstroom.

Tunnelbarrières vormen de basis voor veel elektronische (op lading gebaseerde) en spintronische (spin-gebaseerde) apparaatstructuren. De fabricage van ultradunne en defectvrije barrières is een voortdurende uitdaging in de materiaalkunde. Typische tunnelbarrières zijn gebaseerd op metaaloxiden (bijv. aluminiumoxide of magnesiumoxide), en problemen zoals ongelijkmatige diktes, gaatjes, defecten en opgesloten lading brengen hun prestaties en betrouwbaarheid in gevaar. Dergelijke oxidetunnelbarrières hebben verschillende beperkingen die toekomstige prestaties belemmeren. Bijvoorbeeld, ze hebben producten met een hoog weerstandsgebied (RA) wat resulteert in een hoger stroomverbruik en lokale verwarming; ze laten interdiffusie toe op de interfaces, die hun prestaties verminderen en tot catastrofale mislukkingen kunnen leiden; en hun dikte is over het algemeen niet-uniform, resulterend in "hot spots" in het huidige transport. In tegenstelling tot, Dr. Jonker legt uit, de inherente materiaaleigenschappen van grafeen maken het een ideale tunnelbarrière. Grafeen is chemisch inert en ongevoelig voor diffusie, zelfs bij hoge temperaturen. De atomaire dikte van grafeen vertegenwoordigt de ultieme schaal voor tunnelbarrières voor het laagst mogelijke RA-product, laagste stroomverbruik en snelste schakelsnelheid.

Deze ontdekking door NRL-onderzoekers is belangrijk omdat MTJ's op grote schaal worden gebruikt als leeskoppen in de harde schijf die in elke computer wordt aangetroffen, en als geheugenelementen in niet-vluchtig magnetisch willekeurig toegankelijk geheugen (MRAM), dat snel in opkomst is als een universele geheugenvervanging voor de vele varianten van conventioneel op halfgeleiders gebaseerd geheugen. Ze worden ook beschouwd als leidende kanshebbers omdat ze herprogrammeerbaar zijn, niet-vluchtige elementen voor een universeel logisch blok.

Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt, de opkomende generatie van op MTJ gebaseerde MRAM vertrouwt op spin-overdracht koppelomschakeling, en wordt ernstig beperkt door de onaanvaardbaar hoge stroomdichtheden die nodig zijn om de logische toestand van de cel te schakelen. De bijbehorende problemen van stroomverbruik en thermische dissipatie voorkomen schaalvergroting naar hogere dichtheden en werking bij typische CMOS-spanningen. De International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) van 2011 stelt dat "alle bestaande vormen van niet-vluchtig geheugen te maken hebben met beperkingen op basis van materiaaleigenschappen. Succes zal afhangen van het vinden en ontwikkelen van alternatieve materialen en/of het ontwikkelen van alternatieve opkomende technologieën ... de ontwikkeling van elektrische toegankelijk niet-vluchtig geheugen met hoge snelheid en hoge dichtheid zou een revolutie teweegbrengen in de computerarchitectuur ... p28; en opkomende onderzoeksapparatuur, P. 4).

NRL-onderzoekers zijn van mening dat de op grafeen gebaseerde magnetische tunnelovergangen die ze hebben aangetoond, de prestaties en het fabricagegemak van bestaande oxidetechnologie zullen overschaduwen. Deze op grafeen gebaseerde MTJ's zouden een doorbraak zijn voor opkomende spin-gebaseerde technologieën zoals MRAM en spinlogica, en het elektrisch toegankelijke niet-vluchtige geheugen mogelijk te maken dat nodig is om een ​​revolutie in de computerarchitectuur te initiëren. Deze resultaten effenen ook de weg voor het gebruik van andere tweedimensionale materialen zoals hexagonaal boornitride voor vergelijkbare toepassingen.

Het NRL-onderzoeksteam bestaat uit Dr. Enrique Cobas, Dr. Adam Friedman, Dr. Olaf van 't Erve, en Dr. Berend Jonker van de afdeling Materials Science and Technology, en Dr. Jeremy Robinson van de Electronics Science and Technology Division.