(Phys.org)—Wetenschappers van het Naval Research Laboratory hebben aangetoond dat grafeen, een enkele laag koolstofatomen in een honingraatrooster, kan dienen als een spin-gepolariseerd tunnelbarrièrecontact met lage weerstand dat met succes spin-injectie/detectie in silicium uit een ferromagnetisch metaal mogelijk maakt.

Het grafeen zorgt voor een zeer uniforme, chemisch inerte en thermisch robuuste tunnelbarrière vrij van defecten en valtoestanden die oxidebarrières teisteren. Deze ontdekking neemt een belangrijke hindernis weg voor de ontwikkeling van toekomstige halfgeleiderspintronische apparaten, dat is, apparaten die afhankelijk zijn van het manipuleren van de spin van het elektron in plaats van de lading voor laag vermogen, snelle informatieverwerking die verder gaat dan de traditionele schaalvergroting van de wet van Moore.

De onderzoeksresultaten worden gerapporteerd in een paper gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie op 30 sept. 2012.

Ferromagnetische metalen, zoals ijzer of permalloy, hebben intrinsiek spin-gepolariseerde elektronenpopulaties (meer "spin-up" elektronen dan "spin-down", zie figuur), en zijn dus ideale contacten voor injectie en detectie van spin in een halfgeleider. Een tussenliggende tunnelbarrière is nodig om verzadiging van beide halfgeleiderspinkanalen door de veel grotere metaalgeleiding te voorkomen - dit zou anders resulteren in geen netto spinpolarisatie in de halfgeleider. Echter, de typisch gebruikte oxidebarrières (zoals Al2O3 of MgO) introduceren defecten, gevangen lading en interdiffusie, en weerstanden hebben, die te hoog zijn - al deze factoren hebben een ernstige invloed op de prestaties. Om dit probleem op te lossen, het NRL-onderzoeksteam, onder leiding van dr. Berend Jonker, gebruikte enkellaags grafeen als tunnelbarrière. Deze nieuwe benadering maakt gebruik van een defectbestendig, chemisch inert en stabiel materiaal met goed gecontroleerde dikte om een ​​spincontact met lage weerstand te bereiken dat compatibel is met zowel het ferromagnetische metaal als de halfgeleider naar keuze. Deze kwaliteiten zorgen voor minimale diffusie van/naar de omringende materialen bij temperaturen die nodig zijn voor de fabricage van het apparaat.

Het onderzoeksteam gebruikte deze benadering om elektrische opwekking en detectie van spinaccumulatie in silicium boven kamertemperatuur aan te tonen, en toonde aan dat de contactweerstand-gebiedproducten 100 tot 1000 keer lager zijn dan bereikt met oxidetunnelbarrières op siliciumsubstraten met identieke dopingniveaus.

Deze resultaten identificeren een nieuwe route naar spin-gepolariseerde contacten van producten met een lage weerstand, een belangrijke vereiste voor halfgeleider-spintronische apparaten die afhankelijk zijn van magnetoweerstand met twee aansluitingen, inclusief spin-gebaseerde transistors, logica en geheugen, legt dr. Berend Jonker van NRL uit.

Als we naar de toekomst kijken, het NRL-team suggereert dat het gebruik van meerlaags grafeen in dergelijke structuren veel hogere waarden van de tunnelspinpolarisatie kan opleveren vanwege van bandstructuur afgeleide spinfiltereffecten die zijn voorspeld voor geselecteerde ferromagnetische metalen / meerlaagse grafeenstructuren. Deze verhoging zou de prestaties van halfgeleiderspintronische apparaten verbeteren door hogere signaal-ruisverhoudingen en bijbehorende werksnelheden te bieden, het bevorderen van de technologische toepassingen van silicium spintronica.