Forskare vid U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har skapat en ny typ av tunnelanordningsstruktur där tunnelbarriären och transportkanalen är gjorda av samma material, grafen. De visar att utspädd fluorerad grafen, ett enda atomlager av kolatomer arrangerade i en tvådimensionell (2D) bikakeuppsättning, fungerar som en tunnelbarriär på ett annat lager av grafen för laddning och spinntransport. De visar tunnelinjektion genom den fluorerade grafenen, och lateral transport och elektrisk detektering av ren spinström i grafenkanalen. De rapporterar vidare de högsta spinninjektionsvärdena som hittills uppmätts för grafen, ger bevis för förbättringen av tunnelspinnpolarisation som teoretiskt förutspås inträffa för vissa ferromagnetiska metaller på grafen. Denna upptäckt öppnar en helt ny väg för att göra mycket funktionella, skalbara grafenbaserade elektroniska och spintroniska enheter verklighet.

Forskningsresultaten redovisas i en artikel publicerad i tidskriften Naturkommunikation den 21 januari, 2014.

De kopplade imperativen för minskad värmeavledning och strömförbrukning i högdensitetselektronik har återuppväckt intresset för enheter baserade på tunnling, ett kvantmekaniskt fenomen där elektroner passerar genom en potentialbarriär istället för att gå över den. Eftersom tunnelbarriären och transportkanalen vanligtvis är mycket olika material, sådana anordningar kräver matchande olika material, ta upp frågor om heteroepitaxi, skiktlikhet, gränssnittsstabilitet och elektroniska defekttillstånd som allvarligt komplicerar tillverkningen och äventyrar prestanda.

"2D-material som grafen och hexagonal bornitrid undanröjer dessa problem och erbjuder ett nytt paradigm för tunnelbarriärer", förklarar Dr. Berend Jonker, Senior forskare och projektledare. I bulkform, dessa material består av väldefinierade lager som uppvisar mycket stark atombindning i planet, men relativt svag bindning mellan skikten, känd som van der Waals bindning. Enkla lager kan lätt separeras från bulken, eller odlas direkt över stora ytor med en mängd olika tekniker. Dessa skikt har alltså en stark tendens att vara mycket enhetliga i tjocklek ner till en enda atom, har väldigt få defekter, och blandas inte lätt med andra material—detta är nyckelegenskaper för en tunnelbarriär, där tunnelströmmen beror exponentiellt på barriärens tjocklek.

NRL-forskarna fluorerar det översta lagret av ett grafendubbellager för att frikoppla det från det nedre lagret, så att den fungerar som en enskiktstunnelbarriär för både laddning och spinninjektion i den nedre grafenkanalen. De avsätter ohmska (guld) och ferromagnetiska permalloy (röda) kontakter som visas i figuren, bildar en icke-lokal spinnventilstruktur. När en förspänning appliceras mellan de två vänstra kontakterna, en spinnpolariserad laddningsström går från permalloyen in i grafentransportkanalen, genererar en ren spinström som diffunderar till höger. Denna spinström detekteras som en spänning på den högra permalloykontakten som är proportionell mot graden av spinnpolarisering och dess orientering. Spinnets vektorkaraktär (jämfört med laddningens skalära karaktär) tillhandahåller ytterligare mekanismer för den kontroll och manipulation som behövs för avancerad informationsbehandling.

NRL-teamet visade den högsta spinninjektionseffektiviteten som någonsin uppmätts för grafen (63%), och bestämda spin-livslängder med Hanle-effekten. Till skillnad från de flesta oxidtunnelbarriärer på grafen, fluorerad grafen ger mycket större tunnelspinnpolarisationseffektivitet, tillskrivas gränssnittsspinfiltrering och en mer enhetlig, välkontrollerad barriär, och tillåter observation av den teoretiskt förutsagda Hanle-spänningen och spinlivslängden på grindspänning.

Dessa resultat identifierar en ny väg mot hög kvalitet, nästa generations grafen elektroniska/spintroniska enheter inklusive spinnbaserade transistorer, logik, och minne. Dessutom, processen är helt skalbar och lätt att genomföra. "Inom en snar framtid, " förutspår Dr. Adam Friedman, huvudförfattare på projektet, "Vi kommer att kunna skriva hela spintroniska kretsar in situ på odlade, stora ytor av tvåskiktsgrafen helt enkelt genom att selektivt kemiskt modifiera det översta lagret av grafen." Fluorografen/grafen möjliggör realisering av homoepitaxiala kolstrukturer med få lager för mångsidiga elektroniska enheter.