Onderzoekers van de Chalmers University of Technology hebben ontdekt dat grafeen met een groot oppervlak in staat is om elektronenspin over een langere periode te behouden, en communiceren over grotere afstanden dan voorheen bekend was. Dit heeft de deur geopend voor de ontwikkeling van spintronica, met als doel sneller en energiezuiniger geheugen en processors in computers te produceren. De bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Wij geloven dat deze resultaten veel aandacht zullen trekken in de onderzoeksgemeenschap en grafeen op de kaart zullen zetten voor toepassingen in spintronische componenten, " zegt Saroj Dash, die de onderzoeksgroep leidt aan de Chalmers University of Technology.

Spintronica is gebaseerd op de kwantumtoestand van de elektronen, en de technologie wordt al gebruikt in geavanceerde harde schijven voor gegevensopslag en magnetisch willekeurig toegankelijk geheugen. Maar hier hoeft de op spin gebaseerde informatie maar een paar nanometer te bewegen, of miljoenste van een millimeter. Wat is geluk, omdat spin een eigenschap van elektronen is die in de meeste materialen extreem kortlevend en kwetsbaar is.

Echter, er zijn grote voordelen aan het benutten van spin als informatiedrager, in plaats van, of naast elektrische ladingen. Spintronics zou processors aanzienlijk sneller en minder energieverbruikend kunnen maken dan ze nu zijn.

Grafeen is een veelbelovende kandidaat om het gebruik van spintronica in de elektronica-industrie uit te breiden. De dunne koolstoffilm is niet alleen een uitstekende elektrische geleider, maar heeft theoretisch ook het zeldzame vermogen om de elektronen met de spin intact te houden.

"In toekomstige spin-gebaseerde componenten, er wordt verwacht dat de elektronen enkele tientallen micrometers moeten kunnen reizen met hun spins uitgelijnd. metalen, zoals aluminium of koper, hebben hier niet de capaciteit voor. Grafeen lijkt op dit moment het enig mogelijke materiaal te zijn, ' zegt Saroj Dash.

Vandaag, grafeen wordt commercieel geproduceerd door een paar bedrijven met behulp van een aantal verschillende methoden, die zich allemaal in een vroege ontwikkelingsfase bevinden.

Simpel gezegd, je zou kunnen zeggen dat grafeen van hoge kwaliteit alleen in hele kleine stukjes kan worden verkregen, terwijl groter grafeen zo wordt geproduceerd dat de kwaliteit ofwel te laag is of andere nadelen heeft vanuit het perspectief van de elektronica-industrie.

Maar die algemene veronderstelling wordt nu serieus in twijfel getrokken door de bevindingen van de onderzoeksgroep van Chalmers. Ze hebben hun experimenten uitgevoerd met CVD-grafeen, die wordt geproduceerd door middel van chemische dampafzetting. De methode geeft het grafeen veel rimpels, ruwheid en andere gebreken.

Maar het heeft ook voordelen:er zijn goede vooruitzichten voor de productie van grootschalige grafeen op industriële schaal. Het CVD-grafeen kan ook gemakkelijk worden verwijderd van de koperfolie waarop het groeit en op een siliciumwafel wordt getild, dat is het standaardmateriaal van de halfgeleiderindustrie.

Hoewel de kwaliteit van het materiaal verre van perfect is, de onderzoeksgroep kan nu parameters van spin laten zien die tot zes keer hoger zijn dan eerder gerapporteerd voor CVD-grafeen op een vergelijkbaar substraat.

"Onze metingen laten zien dat het spinsignaal wordt bewaard in grafeenkanalen die tot 16 micrometer lang zijn. De duur waarover de spins uitgelijnd blijven, is gemeten op meer dan een nanoseconde, ", zegt Chalmers-onderzoeker Venkata Kamalakar, de eerste auteur van het artikel.

"Dit is veelbelovend omdat het suggereert dat de spinparameters verder kunnen worden verbeterd naarmate we de productiemethode ontwikkelen.

Dat onderzoekers zich richten op hoe ver de spinstroom kan worden gecommuniceerd, moet niet worden gezien als alleen maar informatie in een nieuw materiaal sturen of metalen of halfgeleiders vervangen door grafeen. Het doel is daarentegen een geheel nieuwe manier om logische bewerkingen uit te voeren en informatie op te slaan. Een begrip dat, indien succesvol, digitale technologie een stap verder zou brengen dan de huidige afhankelijkheid van halfgeleiders.

"Grafeen is een goede geleider en heeft geen bandgaps. Maar in spintronica zijn er geen bandgaps nodig om te schakelen tussen aan en uit, één en nul. Dit wordt in plaats daarvan geregeld door de opwaartse of neerwaartse spinoriëntaties van het elektron, " legt Saroj Dash uit.

Een doel op korte termijn is nu om een ​​logische component te construeren die, niet anders dan een transistor, bestaat uit grafeen en magnetische materialen.

Of spintronica uiteindelijk de halfgeleidertechnologie volledig kan vervangen, is een open vraag, er blijft veel onderzoek over. Maar grafeen, met zijn uitstekende spingeleidingsvermogen, komt in deze context zeer waarschijnlijk voor.

Achtergrond:

Dit is draaien:

Spin is een kwantummechanische eigenschap van elementaire deeltjes, wat onder andere aanleiding geeft tot het fenomeen magnetisme. De spin kan zowel naar boven als naar beneden worden gericht. Voor de elektronen in een normale elektrische stroom, de spin is willekeurig verdeeld, en de stroom draagt ​​geen spinsignaal. Maar met behulp van magneten, elektronen die in een geleider worden gevoerd, kunnen worden gepolariseerd, wat betekent dat ze allemaal hun spin naar boven of naar beneden hebben gericht. Je zou de elektronen kunnen vergelijken met een reeks kleine kompasnaalden, allemaal wijzend naar het noorden of het zuiden. De uitdaging is om deze toestand lang genoeg en over voldoende lange afstanden vast te houden.

Waarom spin werkt in grafeen:

De spin van elektronen kan gemakkelijk worden verstoord door omgevingsfactoren. Atomen en hun kristalstructuren in het geleidende materiaal hebben een elektrisch veld, dat wordt waargenomen als een magnetisch veld door de elektronen die voorbijsnellen. Maar aangezien koolstof zo'n licht atoom is met slechts zes protonen gerangschikt in een symmetrische hexagonale structuur, deze magnetische interferentie zal zeer beperkt zijn.

De interne spin in een atoomkern is ook een potentiële bron van interferentie. Maar de netto spin van de kern is verwaarloosbaar, aangezien de meeste koolstofatomen van de C12-isotoop zijn, met evenveel neutronen als protonen.

Drie manieren om grafeen te produceren:

De Nobelprijswinnaars Geim en Novoselov maakten grafeen uit grafiet met gewone huishoudtape. Vergelijkbare methoden worden tegenwoordig gebruikt om grafeen van hoge kwaliteit te produceren. Maar de stukjes zijn klein. Het bedrijf Graphensic, gemaakt door onderzoekers van de Zweedse Universiteit van Linköping, produceert grafeen met een groot oppervlak dat wordt "gecultiveerd" uit een substraat van siliciumcarbide.

Aan de Chalmers University of Technology, grafeen met een groot oppervlak wordt geproduceerd met behulp van de chemische dampafzettingsmethode (CVD). Voor de studie in Natuurcommunicatie , de onderzoekers hebben CVD-grafeen gebruikt dat is gekocht bij het bedrijf Graphenea in Spanje.