Onderzoekers van de ICN2 Theoretical and Computational Nanoscience Group en de Université catholique de Louvain hebben numerieke simulaties gebruikt om aan te tonen dat de spindiffusielengte onafhankelijk is van de korrelgrootte. De resultaten zijn gepubliceerd in Nano-letters en hebben implicaties voor de optimalisatie van op grafeen gebaseerde spintronische apparaten.

Grafeen is een materiaal dat de laatste jaren aan bekendheid wint vanwege zijn prachtige eigenschappen. Vooral, voor spintronica, grafeen is een waardevol materiaal omdat de spins van de gebruikte elektronen relatief lang ongewijzigd blijven. Echter, grafeen moet op grote schaal worden geproduceerd om in toekomstige apparaten te kunnen worden gebruikt. Met dat respect, chemische dampafzetting (CVD) is de meest veelbelovende fabricagemethode.

CVD omvat het groeien van grafeen op een metalen substraat bij hoge temperaturen. In dit proces, het genereren van grafeen begint tegelijkertijd op verschillende punten van het substraat. Dit produceert verschillende eenkristaldomeinen van grafeen die van elkaar worden gescheiden door korrelgrenzen, bestaande uit arrays van vijf-, zeven- of zelfs achtdelige koolstofringen. Het eindproduct is, dus, polykristallijn grafeen.

Is polykristallijn grafeen net zo goed als monokristallijn grafeen voor spintronica? Korrelgrenzen zijn een belangrijke bron van ladingsverstrooiing, verhoging van de elektrische weerstand van het materiaal. Hoe beïnvloeden ze spintransport?

Sommige experimenten suggereren dat korrelgrenzen geen grote rol spelen bij spintransport. In deze context, Dr. Aron W. Cummings, van de ICN2 Theoretical and Computational Nanoscience Group, onder leiding van ICREA Prof. Stephan Roche, samen met onderzoekers van de Université catholique de Louvain (België), hebben eerste-principesimulaties gebruikt om de impact van korrelgrenzen op spintransport in polykristallijn grafeen te bestuderen. De studie is gepubliceerd in Nano-letters .

De onderzoekers hebben twee verschillende mechanismen overwogen waardoor spins hun oorspronkelijke oriëntatie zouden kunnen verliezen (spinrelaxatie). Eén is verantwoordelijk voor de randomisatie van spins binnen de korrels als gevolg van spin-baankoppeling, de andere beschouwt de mogelijkheid dat de spins omslaan als gevolg van verstrooiing in een korrelgrens. Echter, de onderzoekers vonden dat het laatste geval niet gebeurde. Korrelgrenzen hebben geen nadelig effect op spintransport.

Daarom, spin-diffusielengte in polykristallijn grafeen is onafhankelijk van de korrelgrootte en hangt alleen af ​​van de sterkte van de substraat-geïnduceerde spin-baankoppeling. Bovendien, dit geldt niet alleen voor het diffuse vervoersregime, maar ook voor de zwak gelokaliseerde, waarin kwantumverschijnselen de overhand beginnen te krijgen. Dit is de eerste kwantummechanische simulatie die bevestigt dat dezelfde uitdrukking voor spindiffusielengte in beide regimes geldt.

Het onderzoek benadrukt het feit dat grafeen met één domein mogelijk geen vereiste is voor spintronica-toepassingen, en dat polykristallijn CVD-gegroeid grafeen net zo goed kan werken. Dit legt de nadruk op andere aspecten om de productie van grafeen te verbeteren, zoals de verwijdering van magnetische onzuiverheden.