Elektronica is gebaseerd op de manipulatie van elektronen en andere ladingsdragers, maar naast opladen, elektronen hebben een eigenschap die bekend staat als spin. Wanneer spin wordt gemanipuleerd met magnetische en elektrische velden, het resultaat is een spin-gepolariseerde stroom die meer informatie bevat dan mogelijk is met alleen lading. Spin-transport elektronica, of spintronica, is een onderwerp van actief onderzoek binnen Europa's Graphene Flagship.

Spintronica is de studie en exploitatie in solid-state apparaten van elektronenspin en het bijbehorende magnetische moment, samen met elektrische lading. Sommigen beschouwen het onderwerp als esoterisch, gezien de conceptueel uitdagende kwantumfysica en chemie die eraan ten grondslag liggen, maar hetzelfde werd ooit gezegd over wat tegenwoordig mainstream elektronica is. De realiteit is dat spintronica een rijpend gebied is van toegepaste wetenschap en techniek, evenals fascinerende pure wetenschap op zich.

Elektronenspin en kwantumlogica

Voordat we naar spintronica in grafeen kijken, het is vermeldenswaard dat spintronica al is ingeburgerd in een cruciaal gebied van digitale elektronica, namelijk gegevensopslag.

Spin kan worden gezien als de rotatie van het elektron om zijn eigen as. Het is een vorm van intrinsiek impulsmoment, en kan worden gedetecteerd als een magnetisch veld met een van de twee oriëntaties:omhoog en omlaag. Combineer deze magnetische oriëntaties met de aan/uit huidige toestanden in binaire logica, en we hebben een systeem van vier staten, waarbij de twee magnetische oriëntaties een kwantumbit vormen, of qubit.

In termen van computertechnologie, vier staten in plaats van twee zorgen voor hogere gegevensoverdrachtsnelheden, verhoogde verwerkingskracht en geheugendichtheid, en extra opslagcapaciteit. Elektronenspin biedt een extra mate van vrijheid om informatie op te slaan en te manipuleren.

De leeskoppen van moderne magnetische harde schijven maken gebruik van de spin-gerelateerde effecten die bekend staan ​​als Giant Magnetoweerstand (GMR) en Tunnel Magnetoweerstand (TMR). In GMR-apparaten, twee of meer lagen ferromagnetische materialen worden gescheiden door een afstandhouder. Wanneer de magnetisatievectoren van de magnetische lagen zijn uitgelijnd, de elektrische weerstand is lager dan wanneer de vectoren in tegengestelde zin zijn. Een apparaat dat op een dergelijke configuratie is gebaseerd, staat bekend als een spinklep. In TMR, elektronentransport wordt bereikt door kwantummechanische tunneling van de deeltjes door een isolator die ferromagnetische lagen scheidt.

In beide gevallen, het resultaat is een magneetveldsensor die kan worden gebruikt om magnetisch gecodeerde gegevens op harde schijfschijven te lezen. En niet alleen harde schijven. Twee soorten computergeheugen - magnetoresistief Random Access Memory en racetrack-geheugen - maken ook gebruik van elektronenspin.

Spintransport in grafeen

grafeen, een atomaire monolaag van grafietkoolstof, is een veelbelovend materiaal voor spintronica-toepassingen vanwege zijn capaciteit voor spintransport bij kamertemperatuur over relatief lange diffusielengtes van enkele micrometers. Grafeen heeft ook een hoge elektronenmobiliteit, en een afstembare ladingsdragerconcentratie.

Interesse in spintransport bij kamertemperatuur in grafeen gaat terug tot 2007, met experimenten uitgevoerd door de onderzoeksgroep van de Groningse natuurkundige en vooraanstaand Graphene Flagship-wetenschapper Bart van Wees. Een bespreking van die eerste praktische demonstratie van spintransport, samen met een gedetailleerd technisch overzicht van grafeen-spintronica in theorie en praktijk, is te vinden in een vorig jaar verschenen artikel in het wetenschappelijk tijdschrift Natuur Nanotechnologie . Een van de recensie-auteurs is de in Regensburg gevestigde vlaggenschipwetenschapper Jaroslav Fabian.

De experimenten van de Van Wees-groep en daaropvolgende studies toonden een relatief lage spin-injectie-efficiëntie van ongeveer 10%, die werd toegeschreven aan ofwel een geleidingsmismatch tussen de ferromagnetische metalen en grafeen, of andere contactgerelateerde effecten. Aanzienlijk hogere efficiënties werden bereikt door dunne films van magnesiumoxide als tunnelbarrière te gebruiken.

Verdere benaderingen werden ook gebruikt, inclusief pinhole-contacten over een isolerende barrière, transparante contacten, waarbij de ferromagnetische elektroden in direct contact staan ​​met de grafeenlaag, en het gebruik van niet-magnetische metalen zoals koper. In het geval van tunneling over een isolerende barrière, de grootste gemeten magnetoweerstand was 130 ohm, overeenkomend met een spin-injectie-efficiëntie van meer dan 60%.

De overstap van kleinschalige studies naar onderzoek naar spintransport in grafeen met een groot oppervlak is een belangrijke stap in de richting van het mogelijk maken van grafeen-spintronica op de wafelschaal van geïntegreerde schakelingen. De focus lag hier op spintransport in zwevende grafeenlagen, en grafeen afgezet op hexagonale boornitride (hBN) substraten. Naarmate de technologie vordert, langere spin lengtes en levensduur worden waargenomen, en een praktisch voorbeeld van zo'n grafeen-hBN heterostructuur zal in een vervolgartikel worden besproken.

Grafeen magnetisch maken

Magnetische orde creëren in grafeen, dat in zijn oorspronkelijke staat een sterk diamagnetisch materiaal is, vormt een grote uitdaging. Niettemin, het induceren van magnetische momenten in grafeen is van vitaal belang als het materiaal wordt gebruikt in spintronica. De hoop is om een ​​afstembaar magnetisme te hebben door doping of functionalisering van grafeen. Dit kan worden bereikt door defecten in de hexagonale kristalstructuur van het materiaal, of de invloed van geadsorbeerde atomen op het oppervlak.

Gehydrogeneerd grafeen is een benchmark voor grafeenmagnetisme, met waterstofatomen die op een omkeerbare manier chemisch op grafeen absorberen. Hierdoor ontstaat er een onbalans in het kristalrooster, een magnetisch moment induceren. Een ander interessant adatom is fluor, die zich aan koolstof bindt, grafeen transformeren in een isolator met een brede opening. Net als bij waterstof, fluor kan omkeerbaar chemisch worden geabsorbeerd op grafeen.

"Grafeen is een veelbelovend materiaal voor spintronica, gezien het feit dat de spin-eigenschappen niet alleen kunnen worden aangepast, maar inderdaad bepaald door welke adatoms en andere 2D-materialen je ermee combineert, ", zegt Fabian. "Zodra de juiste materialen zijn geïdentificeerd - en dit onderzoeken we in het vlaggenschip - opent een weg naar specifieke technologische toepassingen."

Een ontbrekend koolstofatoom, of leegstand in de structuur van grafeen, creëert een spin-gepolariseerde elektronendichtheid door vier elektronen van de banden te strippen, waarvan er drie 'bungelende band'-staten vormen. Twee van deze bungelende banden dragen magnetische momenten bij, maar direct bewijs van het voorspelde π-magnetisme ontbreekt.

Verlenging van de levensduur van de spin

Het maximaliseren van de spin-levensduur is van cruciaal belang als het gaat om toepassingen van grafeen-spintronica. Theorie voorspelt levensduur van ongeveer een microseconde voor ongerept grafeen, terwijl het experiment waarden laat zien die variëren van tientallen picoseconden tot enkele nanoseconden. Alleen met een levensduur van nanoseconden en langer zal spintransport in grafeen nuttig zijn in toepassingen in de echte wereld. De meer dan twee ordes van grootte discrepantie is een ernstige zorg, en het suggereert dat de bron van spin-relaxatie van extrinsieke oorsprong is, zoals onzuiverheden, defecten of rimpelingen in het bestudeerde grafeen.

Spin-levensduren van enkele nanoseconden zijn experimenteel waargenomen voor grafeen-spinkleppen op siliciumdioxidesubstraten met tunnelcontacten, maar met pinhole-contacten is de gemeten levensduur slechts een fractie van een nanoseconde. Contact-geïnduceerde spin-relaxatie is een belangrijke factor. Dit kan worden geminimaliseerd door de kwaliteit van de contacten te verbeteren, en het maken van de afstand tussen ferromagnetische elektroden veel groter dan de lengte van de spin-relaxatie van het bulkgrafeen.

Ondanks talrijke theoretische studies, de oorsprong van spin-relaxatie in grafeen is weinig begrepen. Er zijn twee mechanismen naar voren gebracht om experimentele trends te verklaren. Beide vinden hun oorsprong in de metaal- en halfgeleiderspintronica, en ze vertrouwen elk op spin-baankoppeling en momentumverstrooiing. Spin-baankoppeling is de interactie van de spin van een elektron met zijn beweging, wat leidt tot verschuivingen in de atoomenergieniveaus van het deeltje als gevolg van de interactie tussen de spin en het magnetische veld dat wordt gegenereerd door de baan van het elektron rond de atoomkern.

Het probleem is dat geen van de voorgestelde spin-relaxatiemechanismen werkt. Beide voorspellen levensduur van microseconden, toch laten experimenten op zijn best een paar nanoseconden zien. Het enige mechanisme dat in overeenstemming is met het experiment voor zowel enkellaags als dubbellaags grafeen, is gebaseerd op resonante verstrooiing door lokale magnetische momenten. Dit model werd voorgesteld door de onderzoeksgroep van Fabian in Regensburg.

Wat recente studies aangeven, is dat elektronenmobiliteit niet de beperkende factor is voor de levensduur van de spin, en verstrooiing tussen geladen deeltjes en onzuiverheden is niet primair verantwoordelijk voor spin-relaxatie in grafeen. Dat gezegd hebbende, het bepalen van de primaire bron van spin-relaxatie blijft een belangrijke uitdaging voor grafeenonderzoekers. Het identificeren ervan zou moeten helpen de spin-levensduur in grafeen te verhogen naar de theoretische limiet, die belangrijke implicaties zullen hebben voor zowel fundamentele wetenschap als technologische toepassingen.

Toekomstige richtingen

In de conclusie van hun Nature Nanotechnology review, Fabian en zijn collega's beschouwen grafeen in op spin-overdracht op koppel gebaseerde logische apparaten die spins en magneten gebruiken voor informatieverwerking. Spin-logic-apparaten maken nu deel uit van de International Technology Roadmap for Semiconductors, met het oog op hun opname in toekomstige computers.

Voorbeelden van spin-logic-apparaten zijn herschrijfbare microchips, transistoren, logische poorten, magnetische sensoren en halfgeleider nanodeeltjes voor quantum computing. Deze en andere mogelijkheden voor op grafeen gebaseerde spintronica worden besproken in de onlangs gepubliceerde "Science and technology roadmap for graphene, verwante tweedimensionale kristallen, en hybride systemen". De roadmap is ontwikkeld in het kader van Europe's Graphene Flagship - een internationaal academisch/industrieel consortium, medegefinancierd door de Europese Commissie, gewijd aan de ontwikkeling van grafeen en andere gelaagde materialen.

Spintronica is misschien een relatief jong gebied van onderzoek en ontwikkeling, maar de afgelopen jaren hebben we aanzienlijke vooruitgang gezien in de richting van lange spin-levensduren en diffusielengtes in grafeen en verwante materialen. Graphene Flagship-onderzoekers vormen de kern van deze wereldwijde inspanning.