Falsk färg atomkraftmikroskopibild av en nanotråd av kisel med de fyra kontakterna som används i spinnmätningarna. De ferromagnetiska metall-/grafentunnelbarriärkontakterna som används för att injicera och detektera spinn visas som blå, de guld ohmska referenskontakterna visas som gula, och den gröna linjen är nanotrådstransportkanalen av kisel. Den ljusa pricken på änden av nanotråden är guldnanopartikeln som används för att så nanotrådens tillväxt. Upphovsman:U.S. Naval Research Laboratory
Forskare vid U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har rapporterat den första observationen av spinprecession av spinnströmmar som flyter i en transportkanal av kiselnanowire (NW), och bestämda spinnlivslängder och motsvarande spindiffusionslängder i dessa spintroniska enheter i nanoskala. Spinströmmarna injicerades elektriskt och detekterades med hjälp av ferromagnetiska metallkontakter med en tunnelbarriär bestående av enskiktsgrafen mellan metallen och kiseln NW.
NRL-forskargruppen observerade spinprecession (Hanle-effekten) för både den spinnpolariserade laddningen nära kontaktgränssnittet och för rena spinnströmmar som flyter i NW-kanalen. Det senare visar entydigt att spinn har injicerats och transporterats i Si NW. Användningen av grafen som tunnelbarriär ger en produktkontakt med lågt motstånd och rena magnetiska omkopplingsegenskaper, eftersom det smidigt överbryggar NW och minimerar komplicerade magnetiska domäner som annars äventyrar det magnetiska beteendet. Teamets upptäckt är ett viktigt steg mot förverkligandet av högskalade halvledarspintroniska enheter. Forskningsresultaten redovisas i numret 19 juni 2015 av Naturkommunikation .
Halvledar nanotrådar ger en möjlighet att ytterligare minska transistorernas ständigt krympande dimensioner. Att inkludera elektronspin som en extra tillståndsvariabel erbjuder nya möjligheter för informationsbehandling, möjliggör framtida icke-flyktiga, omprogrammerbara enheter utöver den nuvarande färdplanen för halvledarteknik. Kisel är en idealisk värd för en sådan spin-baserad teknik eftersom dess inneboende egenskaper främjar spinntransport, förklarar huvudforskaren Dr. Olaf van't Erve.
Förverkligandet av spinnbaserade Si NW-enheter kräver effektiv elektrisk spinninjektion och detektering, som är kritiskt beroende av gränssnittsresistansen mellan en ferromagnetisk metallkontakt och NW. Detta är särskilt problematiskt med halvledande NW på grund av den extremt lilla kontaktytan, som kan vara av storleksordningen 100 nm2. Forskare har visat standardoxidtunnelbarriärer för att ge bra spinninjektion i plana Si-strukturer, men sådana kontakter som odlas på NWs är ofta för motståndskraftiga för att ge tillförlitliga och konsekventa resultat. NRL-teamet utvecklade och använde en grafentunnelbarriärkontakt som ger utmärkt spinninjektion och som även uppfyller flera viktiga tekniska kriterier:den ger en produkt med låg resistans, ett mycket enhetligt tunnelskikt med väl kontrollerad tjocklek, rena magnetiska omkopplingsegenskaper för magnetkontakterna, och kompatibilitet med både den ferromagnetiska metallen och kisel NW.
Schematisk beskrivning av den fyra terminala nanotrådsenheten i den icke-lokala spinnventilens geometri. En spinnpolariserad laddningsström injiceras vid den vänstra röda NiFe/grafen ferromagnetiska kontakten, genererar en ren spinnström som flyter till höger inom kiselnanotråden. Denna spinström genererar en spänning som detekteras på den högra ferromagnetiska kontakten. Upphovsman:U.S. Naval Research Laboratory
Att använda inneboende 2D-lager som grafen eller hexagonal bornitrid som tunnelkontakter på nanotrådar ger många fördelar jämfört med konventionella material som deponeras genom ångavsättning (som Al2O3 eller MgO), möjliggör en väg till högskalade elektroniska och spintroniska enheter. Användningen av flerskiktsgrafen i stället för enkelskiktsgrafen i sådana strukturer kan ge mycket högre värden på tunnelspinnpolarisationen på grund av bandstrukturhärledda spinnfiltreringseffekter som förutsägs för utvalda ferromagnetiska metall-/flerskiktsgrafenstrukturer. Denna ökning skulle ytterligare förbättra prestandan hos nanotrådsspintroniska enheter genom att tillhandahålla högre signal-brusförhållanden och motsvarande driftshastigheter, främja de tekniska tillämpningarna av nanotrådsenheter.
