Forskare vid Naval Research Laboratory har visat, för första gången, användningen av grafen som en tunnelbarriär - en elektriskt isolerande barriär mellan två ledande material genom vilka elektroner tunnlar kvantmekaniskt. De rapporterar tillverkning av magnetiska tunnelkorsningar med grafen, ett enatomtjockt ark av kolatomer arrangerade i ett bikakegitter, mellan två ferromagnetiska metallskikt i en helt skalbar fotolitografisk process. Deras resultat visar att ettlagers grafen kan fungera som en effektiv tunnelbarriär för både laddnings- och spinnbaserade enheter, och möjliggör realisering av mer komplexa grafenbaserade enheter för mycket funktionella kretsar i nanoskala, såsom tunneltransistorer, icke-flyktigt magnetiskt minne och omprogrammerbar spinlogik. Dessa forskningsresultat publiceras i onlinenumret av Nanobokstäver .

Forskningen initierar ett "paradigmskifte i tunnelbarriärteknologi för magnetiska tunnelkorsningar (MTJ) som används för avancerade sensorer, minne och logik, " förklarar NRL:s Dr. Berend Jonker. Grafen har varit i fokus för intensiv forskningsaktivitet på grund av dess anmärkningsvärda elektroniska och mekaniska egenskaper. Tidigare, forskare fokuserade på att utveckla grafen som konduktör, eller kanske en halvledare, där strömmen flyter i planet parallellt med kolbikakeskivan. I kontrast, NRL-forskarna visar att grafen fungerar som en utmärkt tunnelbarriär när strömmen riktas vinkelrätt mot planet, och faktiskt, bevarar också spinpolarisationen av tunnelströmmen.

Tunnelbarriärer är grunden för många elektroniska (laddningsbaserade) och spintroniska (spinbaserade) enhetsstrukturer. Tillverkning av ultratunna och defektfria barriärer är en pågående utmaning inom materialvetenskap. Typiska tunnelbarriärer är baserade på metalloxider (t.ex. aluminiumoxid eller magnesiumoxid), och problem som ojämna tjocklekar, hål, defekter och instängd laddning äventyrar deras prestanda och tillförlitlighet. Sådana oxidtunnelbarriärer har flera begränsningar som hindrar framtida prestanda. Till exempel, de har produkter med hög motståndsarea (RA) vilket resulterar i högre strömförbrukning och lokal uppvärmning; de tillåter interdiffusion vid gränssnitten, vilket minskar deras prestanda och kan leda till katastrofala misslyckanden; och deras tjocklek är i allmänhet ojämn, vilket resulterar i "hot spots" i den aktuella transporten. I kontrast, Dr Jonker förklarar, grafenens inneboende materialegenskaper gör den till en idealisk tunnelbarriär. Grafen är kemiskt inert och ogenomtränglig för diffusion även vid höga temperaturer. Atomtjockleken av grafen representerar det ultimata inom tunnelbarriärskalning för lägsta möjliga RA-produkt, lägsta strömförbrukning och snabbaste kopplingshastighet.

Denna upptäckt av NRL-forskare är betydelsefull eftersom MTJ används i stor utsträckning som läshuvuden i hårddisken som finns i varje dator, och som minneselement i icke-flyktigt magnetiskt direktminne (MRAM) som snabbt växer fram som en universell minnesersättning för de många varianterna av konventionellt halvledarbaserat minne. De anses också vara ledande utmanare som omprogrammerbara, icke-flyktiga element för ett universellt logiskt block.

Även om det har gjorts betydande framsteg, den framväxande generationen av MTJ-baserade MRAM förlitar sig på vridmomentomkoppling av spin-överföring, och är allvarligt begränsad av de oacceptabelt höga strömtätheter som krävs för att byta cellens logiska tillstånd. De medföljande problemen med strömförbrukning och termisk avledning förhindrar skalning till högre densiteter och drift vid typiska CMOS-spänningar. 2011 års internationella teknikfärdplan för halvledare (ITRS) säger att "alla befintliga former av icke -flyktigt minne står inför begränsningar baserade på materialegenskaper. Framgången kommer att vara beroende av att hitta och utveckla alternativa material och/eller utveckla alternativ framväxande teknik ... utveckling av elektriskt tillgängligt icke-flyktigt minne med hög hastighet och hög densitet skulle initiera en revolution inom datorarkitekturen ... och ge en betydande ökning av informationsgenomströmningen utöver de traditionella fördelarna med skalning när det är fullt realiserat för CMOS-enheter i nanoskala" (ITRS 2011 Executive Summary, p28; och framväxande forskningsanordningar, sid. 4).

NRL-forskare tror att de grafenbaserade magnetiska tunnelkorsningarna som de har visat kommer att överskugga prestandan och enkla tillverkningen av befintlig oxidteknologi. Dessa grafenbaserade MTJ:er skulle vara ett genombrott för begynnande spin-baserade teknologier som MRAM och spin logik, och möjliggöra det elektriskt tillgängliga icke-flyktiga minnet som krävs för att initiera en revolution inom datorarkitekturen. Dessa resultat banar också väg för användning av andra tvådimensionella material såsom hexagonal bornitrid för liknande applikationer.

I NRL-forskargruppen ingår Dr. Enrique Cobas, Dr Adam Friedman, Dr Olaf van 't Erve, och Dr Berend Jonker från Materials Science and Technology Division, och Dr Jeremy Robinson från Electronics Science and Technology Division.