Wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL) hebben een nieuw type tunnelapparaatstructuur gemaakt waarin de tunnelbarrière en het transportkanaal van hetzelfde materiaal zijn gemaakt, grafeen. Ze laten zien dat verdund gefluoreerd grafeen, een enkele atomaire laag koolstofatomen gerangschikt in een tweedimensionale (2D) honingraatarray, fungeert als een tunnelbarrière op een andere laag grafeen voor lading- en spintransport. Ze demonstreren tunnelinjectie door het gefluoreerde grafeen, en lateraal transport en elektrische detectie van pure spinstroom in het grafeenkanaal. Ze rapporteren verder de hoogste spin-injectiewaarden die tot nu toe zijn gemeten voor grafeen, bewijs leveren voor de verbetering van tunnel-spinpolarisatie die theoretisch voorspeld is voor bepaalde ferromagnetische metalen op grafeen. Deze ontdekking opent een geheel nieuwe weg voor het maken van zeer functionele, schaalbare op grafeen gebaseerde elektronische en spintronische apparaten een realiteit.

De onderzoeksresultaten worden gerapporteerd in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 21 januari 2014.

De gekoppelde vereisten voor verminderde warmteafvoer en stroomverbruik in elektronica met hoge dichtheid hebben de belangstelling voor apparaten op basis van tunneling doen herleven, een kwantummechanisch fenomeen waarbij elektronen door een potentiaalbarrière gaan in plaats van er overheen te gaan. Omdat de tunnelbarrière en het transportkanaal typisch zeer verschillende materialen zijn, dergelijke apparaten vereisen paring van ongelijke materialen, problemen met hetero-epitaxie aan de orde stellen, laag uniformiteit, interfacestabiliteit en elektronische defecttoestanden die de fabricage ernstig compliceren en de prestaties in gevaar brengen.

"2D-materialen zoals grafeen en hexagonaal boornitride ondervangen deze problemen en bieden een nieuw paradigma voor tunnelbarrières", legt dr. Berend Jonker uit, Senior wetenschapper en projectleider. In bulkvorm, deze materialen bestaan ​​uit goed gedefinieerde lagen die een zeer sterke atomaire binding in het vlak vertonen, maar relatief zwakke binding tussen de lagen, bekend als van der Waals-binding. Enkele lagen kunnen gemakkelijk van de bulk worden gescheiden, of direct over grote gebieden gekweekt door een verscheidenheid aan technieken. Deze lagen hebben dus een sterke neiging om zeer uniform van dikte te zijn tot op een enkel atoom, hebben zeer weinig gebreken, en niet gemakkelijk vermengen met andere materialen - dit zijn de belangrijkste kenmerken voor een tunnelbarrière, waarbij de tunnelstroom exponentieel afhangt van de barrièredikte.

De NRL-wetenschappers fluoreren de bovenste laag van een grafeendubbellaag om deze los te koppelen van de onderste laag, zodat het dient als een enkellaagse tunnelbarrière voor zowel lading als spin-injectie in het onderste grafeenkanaal. Ze deponeren ohmse (gouden) en ferromagnetische permalloy (rood) contacten zoals weergegeven in de afbeelding, het vormen van een niet-lokale spinklepstructuur. Wanneer een biasstroom wordt toegepast tussen de linker twee contacten, een spin-gepolariseerde laadstroom tunnelt van de permalloy naar het grafeentransportkanaal, het genereren van een pure spinstroom die naar rechts diffundeert. Deze spinstroom wordt gedetecteerd als een spanning op het rechter permalloy-contact die evenredig is met de mate van spinpolarisatie en de oriëntatie ervan. Het vectoriële karakter van spin (vergeleken met het scalaire karakter van lading) biedt aanvullende mechanismen voor de controle en manipulatie die nodig zijn voor geavanceerde informatieverwerking.

Het NRL-team toonde de hoogste spin-injectie-efficiëntie ooit gemeten voor grafeen (63%), en bepaalde spin-levensduren met het Hanle-effect. In tegenstelling tot de meeste oxidetunnelbarrières op grafeen, gefluoreerd grafeen zorgt voor een veel grotere efficiëntie van tunneling-spinpolarisatie, toegeschreven aan interface-spinfiltering en een meer uniforme, goed gecontroleerde barrière, en maakt de observatie mogelijk van de theoretisch voorspelde Hanle-spanning en spin-levensduur op poortspanning.

Deze resultaten identificeren een nieuwe route naar hoge kwaliteit, elektronische/spintronic-apparaten van de volgende generatie, waaronder op spin gebaseerde transistors, logica, en geheugen. In aanvulling, het proces is volledig schaalbaar en eenvoudig te realiseren. "In de nabije toekomst, " voorspelt Dr. Adam Friedman, hoofdauteur van het project, "We zullen in staat zijn om volledige spintronische circuits in situ te schrijven op gekweekte, grote gebieden van dubbellaags grafeen simpelweg door selectief chemisch de bovenste laag van grafeen te modificeren." Fluorographeen / grafeen maakt de realisatie van homoepitaxiale koolstofstructuren met weinig lagen mogelijk voor veelzijdige elektronische apparaten.