Wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL) hebben een nieuw type tunnelinrichting bij kamertemperatuur gecreëerd waarbij de tunnelbarrière en het transportkanaal van hetzelfde materiaal zijn gemaakt, grafeen. Dergelijke gefunctionaliseerde homoepitaxiale structuren bieden een elegante benadering voor de realisatie van op grafeen gebaseerde spintronische, of elektronisch draaien, apparaten. De onderzoeksresultaten worden gerapporteerd in een paper gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Het NRL-team laat zien dat gehydrogeneerd grafeen, een op waterstof eindigende enkelvoudige atomaire laag van koolstofatomen gerangschikt in een tweedimensionale honingraatarray, fungeert als een tunnelbarrière op een andere laag grafeen voor lading- en spintransport. Ze demonstreren spin-gepolariseerde tunnelinjectie door het gehydrogeneerde grafeen, en zijtransport, precessie en elektrische detectie van pure spinstroom in het grafeenkanaal. Het team rapporteert verder hogere spinpolarisatiewaarden dan gevonden met meer gebruikelijke oxidetunnelbarrières, en spintransport bij kamertemperatuur.

Ondanks bijna tien jaar onderzoek naar spintransport in grafeen, er is weinig verbetering opgetreden in belangrijke meetwaarden zoals de spinlevensduur en spindiffusielengte, en gerapporteerde waarden blijven ver onder die voorspeld door de theorie op basis van het lage atoomnummer van grafeen en de spin-baankoppeling. Het begrijpen van de extrinsieke beperkende factoren en het bereiken van de theoretisch voorspelde waarden van deze metrieken is essentieel om het type geavanceerde, laag vermogen, hoogwaardige spintronische apparaten die buiten de wet van Moore vallen. Verstrooiing veroorzaakt door tunnelbarrières, die essentieel zijn voor het oplossen van het probleem van de geleidingsmismatch voor elektrische spin-injectie van een ferromagnetisch metaal in een halfgeleider, is een onderwerp dat nu pas de aandacht trekt. uniform, pinhole/defectvrije tunnelbarrières op grafeen worden niet gemakkelijk bereikt met de conventionele methoden die oxiden gebruiken.

Hydrogenering van grafeen biedt een alternatieve methode om een ​​homoepitaxiale tunnelbarrière op grafeen te bereiken. In tegenstelling tot fluorering en plasmabehandelingen, het chemische hydrogeneringsproces ontwikkeld door teamlid Dr. Keith Whitener zorgt voor een snelle, zachtere en stabielere functionalisering met veel hogere waterstofdekking. Bovendien, Recent onderzoek, ook door NRL-teams, laten zien dat gehydrogeneerd grafeen magnetisch kan zijn, die kunnen worden gebruikt om spin-relaxatie in het grafeen te regelen. Vanwege de extreem lage spin-baankoppeling, dergelijke controle was moeilijk. "Deze nieuwe homo-epitaxiale apparaten van gehydrogeneerd grafeen lossen veel van de problemen op die de grafeen-spintronica teisteren en, met de werking op kamertemperatuur en mogelijke regeling met magnetische momenten, bieden duidelijke voordelen ten opzichte van eerdere structuren voor integratie met moderne elektronica-architecturen, " legt Dr. Adam Friedman uit, hoofdauteur van de studie.

De NRL-wetenschappers gebruiken chemische dampafzetting om te groeien en zetten vervolgens achtereenvolgens een grafeenstapel van vier lagen (slechts 4 atomen dik) af. Vervolgens hydrogeneren ze de bovenste paar lagen, zodat ze dienen als een 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 de wetenschappers een biasstroom toepassen 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 hogere spin-injectie-efficiëntie (16,5%) aan dan de meeste eerdere grafeen-spinapparaten, bepaalde spin-levensduren met het Hanle-effect, en observeerde slechts een verlies van 50% in spinklepsignaal van 10 K tot kamertemperatuur (linker grafiek).