Графеновая спинтроника: от науки к технике

Спинтроника — это исследование и использование в твердотельных устройствах спина электрона и связанного с ним магнитного момента, а также электрического заряда. Некоторые считают эту тему эзотерической из-за концептуально сложной квантовой физики и химии, лежащих в ее основе, но то же самое когда-то было сказано о том, что сегодня является основной электроникой. Реальность такова, что спинтроника — это развивающаяся область прикладной науки и техники, а также увлекательная чистая наука сама по себе.Электронный спин и квантовая логика

Прежде чем рассматривать спинтронику в графене, стоит отметить, что спинтроника уже зарекомендовала себя в одной критической области цифровой электроники, а именно в хранении данных.Спин можно рассматривать как вращение электрона вокруг собственной оси. Это форма собственного углового момента, и ее можно обнаружить как магнитное поле с одной из двух ориентаций: вверх и вниз.

Объедините эти магнитные ориентации с текущими состояниями включения / выключения в двоичной логике, и мы получим систему из четырех состояний, причем две магнитные ориентации образуют квантовый бит или кубит.С точки зрения вычислительной техники, четыре состояния, а не два, обеспечивают более высокую скорость передачи данных, повышенную вычислительную мощность и плотность памяти, а также дополнительную емкость хранения. Электронный спин обеспечивает дополнительную степень свободы для хранения информации и управления ею.Считывающие головки современных магнитных жестких дисков используют эффекты вращения, известные как гигантское магнитосопротивление (GMR) и туннельное магнитосопротивление (TMR).

В устройствах GMR два или более слоя ферромагнитных материалов разделены прокладкой. Когда векторы намагниченности магнитных слоев выровнены, электрическое сопротивление ниже, чем когда векторы расположены в противоположном направлении.

Устройство, основанное на такой конфигурации, известно как спиновой клапан. В TMR перенос электронов достигается за счет квантово-механического туннелирования частиц через изолятор, разделяющий ферромагнитные слои.В обоих случаях результатом является датчик магнитного поля, который можно использовать для считывания данных, закодированных с помощью магнитного поля, на пластинах жесткого диска. И не только жесткие диски.

Два типа компьютерной памяти — магниторезистивная память с произвольным доступом и память для беговых дорожек — также используют спин электронов.Спиновый транспорт в графене

Графен, атомарный монослой графитового углерода, является многообещающим материалом для приложений спинтроники из-за его способности переносить спин при комнатной температуре на относительно большие длины диффузии в несколько микрометров. Графен также обладает высокой подвижностью электронов и регулируемой концентрацией носителей заряда.Интерес к переносу спина при комнатной температуре в графене восходит к 2007 году, когда исследовательская группа физика Гронингенского университета и ведущего ученого-исследователя графена Барта ван Виза провела эксперименты.

Обсуждение этой первой практической демонстрации спинового транспорта вместе с подробным техническим обзором теории и практики спинтроники графена можно найти в статье, опубликованной в прошлом году в академическом журнале Nature Nanotechnology. Один из авторов обзора — ведущий ученый из Регенсбурга Ярослав Фабиан.Эксперименты группы Ван Виса и последующие исследования показали относительно низкую эффективность инжекции спина около 10%, что было связано либо с несоответствием проводимости между ферромагнитными металлами и графеном, либо с другими эффектами, связанными с контактами. Значительно более высокий КПД был достигнут при использовании тонких пленок оксида магния в качестве туннельного барьера.

Также использовались другие подходы, в том числе точечные контакты через изолирующий барьер, прозрачные контакты, в которых ферромагнитные электроды находятся в прямом контакте со слоем графена, и использование немагнитных металлов, таких как медь. В случае туннелирования через изолирующий барьер наибольшее измеренное магнитосопротивление составило 130 Ом, что соответствует эффективности инжекции спина более 60%.Переход от мелкомасштабных исследований к исследованиям переноса спина в графене большой площади является ключевым шагом на пути к реализации спинтроники графена в масштабе пластины интегральной схемы.

Основное внимание здесь уделяется переносу спина в суспендированных слоях графена и графену, нанесенному на подложки из гексагонального нитрида бора (hBN). По мере развития технологии наблюдаются более длинные спины и время жизни, и практический пример такой гетероструктуры графен-hBN будет обсуждаться в следующей статье.

Делаем графен магнитнымСоздание магнитного порядка в графене, который в своем изначальном состоянии является сильно диамагнитным материалом, является серьезной проблемой. Тем не менее создание магнитных моментов в графене имеет жизненно важное значение, если материал будет использоваться в спинтронике. Есть надежда получить настраиваемый магнетизм за счет допирования или функционализации графена.

Это может быть достигнуто за счет дефектов гексагональной кристаллической структуры материала или влияния адсорбированных атомов на его поверхность.Гидрогенизированный графен является эталоном графенового магнетизма, когда атомы водорода химически поглощаются графеном обратимым образом. Это создает дисбаланс в кристаллической решетке, вызывая магнитный момент.

Еще один интересный адатом — фтор, который связывается с углеродом, превращая графен в широкозонный изолятор. Как и водород, фтор может обратимо хемосорбироваться на графене.«Графен — многообещающий материал для спинтроники, учитывая, что его спиновые свойства можно не только адаптировать, но и определять, какие адатомы и другие двухмерные материалы вы с ним комбинируете», — говорит Фабиан. «Как только подходящие материалы определены — а это то, что мы исследуем в флагмане, — открывается путь к конкретным технологическим приложениям».

Отсутствующий атом углерода или вакансия в структуре графена создает спин-поляризованную электронную плотность, отрывая четыре электрона от зон, три из которых образуют состояния «оборванных связей». Две из этих оборванных связей вносят магнитные моменты, но прямые доказательства предсказанного π-магнетизма отсутствуют.Увеличение срока службы отжимаМаксимальное время жизни спина имеет решающее значение, когда речь идет о приложениях спинтроники графена.

Теория предсказывает время жизни чистого графена около микросекунды, тогда как эксперимент показывает значения в диапазоне от десятков пикосекунд до нескольких наносекунд. Только с наносекундным временем жизни и более спиновый транспорт в графене окажется полезным в реальных приложениях. Расхождение более чем на два порядка вызывает серьезную озабоченность и предполагает, что источник спиновой релаксации имеет внешнее происхождение, например, примеси, дефекты или рябь в исследуемом графене.

Время жизни спина в несколько наносекунд было экспериментально обнаружено для графеновых спиновых клапанов на подложках из диоксида кремния с туннельными контактами, но с точечными контактами измеренные времена жизни составляют лишь доли наносекунды. Контактно-индуцированная спиновая релаксация является важным фактором.

Это можно минимизировать, улучшив качество контактов и сделав расстояние между ферромагнитными электродами намного большим, чем длина спиновой релаксации объемного графена.Несмотря на многочисленные теоретические исследования, происхождение спиновой релаксации в графене мало изучено.

Для объяснения экспериментальных тенденций были предложены два механизма. Оба берут свое начало в спинтронике металлов и полупроводников, и каждая из них полагается на спин-орбитальную связь и рассеяние по импульсу.

Спин-орбитальная связь — это взаимодействие спина электрона с его движением, которое приводит к сдвигам атомных уровней энергии частицы в результате взаимодействия между спином и магнитным полем, создаваемым орбитой электрона вокруг атомного ядра.Проблема в том, что ни один из предложенных механизмов спиновой релаксации не работает. Оба предсказывают время жизни в микросекундах, но эксперименты показывают в лучшем случае несколько наносекунд.

Единственный механизм, который согласуется с экспериментом как для однослойного, так и для двухслойного графена, основан на резонансном рассеянии на локальных магнитных моментах. Эта модель была предложена исследовательской группой Фабиана в Регенсбурге.

Недавние исследования показывают, что подвижность электронов не является ограничивающим фактором для времени жизни спина, а рассеяние между заряженными частицами и примесями не является основной причиной спиновой релаксации в графене. Тем не менее, определение основного источника спиновой релаксации остается важной задачей для исследователей графена. Его идентификация должна помочь поднять время жизни спина в графене до теоретического предела, что будет иметь важные последствия как для фундаментальной науки, так и для технологических приложений.Будущие направления

В заключение своего обзора Nature Nanotechnology Фабиан и его коллеги рассматривают графен в логических устройствах, основанных на передаче крутящего момента, которые используют спины и магниты для обработки информации. Устройства спиновой логики теперь являются частью Международной дорожной карты технологий для полупроводников с целью их включения в компьютеры будущего.Примеры устройств спиновой логики включают перезаписываемые микрочипы, транзисторы, логические вентили, магнитные датчики и полупроводниковые наночастицы для квантовых вычислений. Эти и другие возможности спинтроники на основе графена обсуждаются в недавно опубликованной «Дорожной карте науки и технологий для графена, связанных двумерных кристаллов и гибридных систем».

Дорожная карта была разработана в рамках европейского Graphene Flagship — международного академического / промышленного консорциума, частично финансируемого Европейской комиссией, посвященного разработке графена и других слоистых материалов.Спинтроника может быть относительно молодой областью исследований и разработок, но в последние годы мы стали свидетелями значительного прогресса в направлении увеличения времени жизни спина и длины диффузии в графене и родственных ему материалах.

Исследователи Graphene Flagship находятся в центре этих всемирных усилий.

Портал обо всем