(Phys.org)—Forskare vid Naval Research Laboratory har visat att grafen, ett enda lager av kolatomer i ett bikakenät, kan fungera som en spin-polariserad tunnelbarriärkontakt med låg resistans som framgångsrikt möjliggör spinninjektion/detektion i kisel från en ferromagnetisk metall.

Grafenen ger en mycket enhetlig, kemiskt inert och termiskt robust tunnelbarriär fri från defekter och fälltillstånd som plågar oxidbarriärer. Denna upptäckt undanröjer ett viktigt hinder för utvecklingen av framtida halvledarspintroniska enheter, det är, enheter som förlitar sig på att manipulera elektronens spin snarare än dess laddning för låg effekt, höghastighetsinformationsbehandling utöver den traditionella storleksskalningen av Moores lag.

Forskningsresultaten redovisas i en artikel publicerad i Naturens nanoteknik den 30 september, 2012.

Ferromagnetiska metaller, såsom järn eller permalloy, har i sig spinnpolariserade elektronpopulationer (fler "spin-up" elektroner än "spin-down", se bild), och är således idealiska kontakter för injektion och detektering av spinn i en halvledare. En mellanliggande tunnelbarriär krävs för att undvika mättnad av båda halvledarspinnkanalerna genom den mycket större metallkonduktiviteten - detta skulle annars resultera i ingen nettospinnpolarisering i halvledaren. Dock, de oxidbarriärer som vanligtvis används (som Al2O3 eller MgO) introducerar defekter, instängd laddning och interdiffusion, och har motstånd, som är för höga - alla dessa faktorer påverkar prestandan allvarligt. För att lösa det här problemet, NRL-forskargruppen, ledd av Dr. Berend Jonker, använde enskiktsgrafen som tunnelbarriär. Detta nya tillvägagångssätt använder en defektbeständig, kemiskt inert och stabilt material med välkontrollerad tjocklek för att uppnå en spinnkontakt med låg resistans som är kompatibel med både den ferromagnetiska metallen och halvledaren du väljer. Dessa egenskaper säkerställer minimal diffusion till/ och från omgivande material vid temperaturer som krävs för tillverkning av enheter.

Forskargruppen använde denna metod för att demonstrera elektrisk generering och detektering av spinnackumulering i kisel över rumstemperatur, och visade att produkterna i kontaktresistansområdet är 100 till 1000 gånger lägre än vad som uppnås med oxidtunnelbarriärer på kiselsubstrat med identiska dopningsnivåer.

Dessa resultat identifierar en ny väg till produktspinnpolariserade kontakter med lågt motståndsområde, ett nyckelkrav för halvledarspintroniska enheter som förlitar sig på tvåterminals magnetoresistans, inklusive spinnbaserade transistorer, logik och minne, förklarar NRL:s Dr Berend Jonker.

När man ser på framtiden, NRL-teamet föreslår att användningen av flerskiktsgrafen i sådana strukturer kan ge mycket högre värden på tunnelspinnpolarisationen på grund av bandstrukturhärledda spinnfiltreringseffekter som har förutspåtts för utvalda ferromagnetiska metall-/flerskiktsgrafenstrukturer. Denna ökning skulle förbättra prestandan hos halvledarspintroniska enheter genom att tillhandahålla högre signal/brusförhållande och motsvarande driftshastigheter, främja de tekniska tillämpningarna av kiselspintronik.