Forskare vid U.S.Naval Research Laboratory (NRL) har skapat en ny typ av rumstemperatur tunnelanordning där tunnelbarriären och transportkanalen är gjorda av samma material, grafen. Sådana funktionaliserade homoepitaxiala strukturer ger ett elegant tillvägagångssätt för förverkligande av grafenbaserade spintronic, eller snurra elektroniskt, enheter. Forskningsresultaten rapporteras i en artikel publicerad i tidskriften ACS Nano .

NRL -teamet visar att hydrogenerat grafen, ett väteavslutat enda atomskikt av kolatomer arrangerat i en tvådimensionell honungskaka, fungerar som en tunnelbarriär på ett annat lager av grafen för laddning och centrifugering. De visar spinnpolariserad tunnelinjektion genom den hydrerade grafen, och lateral transport, precession och elektrisk detektering av ren spinnström i grafenkanalen. Teamet rapporterar vidare högre spinnpolarisationsvärden än man hittat med vanligare oxidtunnelbarriärer, och centrifugering vid rumstemperatur.

Trots nästan ett decennium av forskning om spinntransport i grafen, det har skett en liten förbättring av viktiga mätvärden som centrifugeringens livslängd och centrifugeringslängd, och rapporterade värden förblir långt under de som förutses av teorin baserat på grafens låga atomnummer och spin-orbit-koppling. Att förstå de yttre begränsande faktorerna och uppnå de teoretiskt förutsagda värdena för dessa mätvärden är nyckeln för att möjliggöra typen av avancerade, låg effekt, högpresterande spintronic -enheter tänkt utöver Moores lag. Spridning orsakad av tunnelhinder, som är avgörande för att lösa problem med konduktivitetsmatchning för elektrisk spinninjektion från en ferromagnetisk metall i en halvledare, är ett ämne som just nu väcker uppmärksamhet. Enhetlig, nålhål/defektfria tunnelbarriärer på grafen uppnås inte lätt med konventionella metoder som använder oxider.

Hydrogenering av grafen erbjuder en alternativ metod för att uppnå en homoepitaxial tunnelbarriär på grafen. I motsats till fluorering och plasmabehandlingar, den kemiska hydreringsprocess som utvecklats av teammedlem Dr Keith Whitener ger en snabb, mjukare och mer stabil funktionalisering med mycket högre vätetäckning. Dessutom, nyliga studier, även av NRL -team, visa att hydrerad grafen kan vara magnetisk, som kan användas för att styra spinnavslappning i grafen. På grund av dess extremt låga spin-orbit-koppling, sådan kontroll har varit svår. "Dessa nya hydrerade grafen homoepitaxiala enheter löser många av de problem som plågar grafenspintronik och, med rumstemperaturdrift och möjlig styrning med magnetiska moment, erbjuder tydliga fördelar jämfört med tidigare strukturer för integration med moderna elektronikarkitekturer, "förklarar Dr. Adam Friedman, huvudförfattare till studien.

NRL-forskarna använder kemisk ångavsättning för att växa och sätter sedan i sekvens en fyra-lager (endast 4 atomer tjock) grafenbunt. De hydrerar sedan de övre få lagren så att de fungerar som en tunnelbarriär för både laddning och centrifugering in i den nedre grafenkanalen. De deponerar ohmska (guld) och ferromagnetiska permalloy (röda) kontakter som visas i figuren, bilda en icke-lokal spinnventilstruktur. När forskarna applicerar en förspänningsström mellan de två vänstra kontakterna, en spinnpolariserad laddningsströmstunnel från permalloyen till grafentransportkanalen, genererar en ren spinnström som sprider sig till höger. Denna centrifugeringsström detekteras som en spänning på den högra permalloykontakten som är proportionell mot graden av centrifugering och dess orientering. Spinnets vektoriella karaktär (jämfört med laddningens skalära karaktär) ger ytterligare mekanismer för kontroll och manipulation som behövs för avancerad informationsbehandling. NRL -teamet visade högre spininjektionseffektivitet (16,5%) än de flesta tidigare grafenspinnanordningar, bestämde centrifugeringstider med Hanle -effekten, och observerade endast en 50% förlust av centrifugeringsventilsignalen från 10 K till rumstemperatur (vänster graf).