Wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL) hebben de eerste waarneming gerapporteerd van spin-precessie van spinstromen die stromen in een silicium nanodraad (NW) transportkanaal, en bepaalde spin-levensduren en bijbehorende spin-diffusielengtes in deze spintronische apparaten op nanoschaal. De spinstromen werden elektrisch geïnjecteerd en gedetecteerd met behulp van ferromagnetische metalen contacten met een tunnelbarrière bestaande uit enkellaags grafeen tussen het metaal en silicium NW.

Het NRL-onderzoeksteam observeerde spin-precessie (het Hanle-effect) voor zowel de spin-gepolariseerde lading nabij het contactinterface als voor pure spinstromen die in het NW-kanaal stromen. Dit laatste laat ondubbelzinnig zien dat spins zijn geïnjecteerd en getransporteerd in het Si NW. Het gebruik van grafeen als tunnelbarrière zorgt voor een productcontact met lage weerstand en schone magnetische schakeleigenschappen, omdat het de NW soepel overbrugt en gecompliceerde magnetische domeinen minimaliseert die anders het magnetische gedrag in gevaar brengen. De ontdekking van het team is een essentiële stap in de richting van de realisatie van hooggeschaalde halfgeleider-spintronische apparaten. De onderzoeksresultaten worden gerapporteerd in het nummer van 19 juni 2015 van: Natuurcommunicatie .

Halfgeleider nanodraden bieden een mogelijkheid om de steeds kleiner wordende afmetingen van transistors verder te verminderen. Het opnemen van elektronenspin als extra toestandsvariabele biedt nieuwe perspectieven voor informatieverwerking, toekomstige niet-vluchtige, herprogrammeerbare apparaten die verder gaan dan de huidige roadmap voor halfgeleidertechnologie. Silicium is een ideale gastheer voor zo'n op spin gebaseerde technologie omdat zijn intrinsieke eigenschappen spintransport bevorderen, legt hoofdonderzoeker dr. Olaf van't Erve uit.

Realisatie van op spin gebaseerde Si NW-apparaten vereist efficiënte elektrische spin-injectie en detectie, die kritisch afhangen van de interfaceweerstand tussen een ferromagnetisch metaalcontact en de NW. Dit is vooral problematisch bij halfgeleidende NW's vanwege het buitengewoon kleine contactoppervlak, die van orde 100 nm2 kan zijn. Onderzoekers hebben aangetoond dat standaard oxidetunnelbarrières zorgen voor een goede spin-injectie in vlakke Si-structuren, maar dergelijke contacten die op NW's zijn gegroeid, zijn vaak te resistief om betrouwbare en consistente resultaten op te leveren. Het NRL-team ontwikkelde en gebruikte een grafeentunnelbarrièrecontact dat een uitstekende spin-injectie produceert en ook voldoet aan verschillende belangrijke technische criteria:het biedt een product met een lage weerstand, een zeer uniforme tunnellaag met goed gecontroleerde dikte, schone magnetische schakelkarakteristieken voor de magnetische contacten, en compatibiliteit met zowel het ferromagnetische metaal als silicium NW.

Het gebruik van intrinsieke 2D-lagen zoals grafeen of hexagonaal boornitride als tunnelcontacten op nanodraden biedt veel voordelen ten opzichte van conventionele materialen die worden afgezet door middel van dampafzetting (zoals Al2O3 of MgO), een pad naar zeer geschaalde elektronische en spintronische apparaten mogelijk maken. Het gebruik van meerlaags grafeen in plaats van enkellaags grafeen in dergelijke structuren kan veel hogere waarden van de tunnelspinpolarisatie opleveren vanwege van bandstructuur afgeleide spinfiltereffecten voorspeld voor geselecteerde ferromagnetische metaal / meerlaagse grafeenstructuren. Deze toename zou de prestaties van nanodraad-spintronische apparaten verder verbeteren door hogere signaal-ruisverhoudingen en bijbehorende werksnelheden te bieden, het bevorderen van de technologische toepassingen van nanodraadapparaten.