Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2015 23 дек

Графеновая спинтроника: от науки к технологии

Электроника, в которой используется спиновый токоперенос, является предметом активных исследований консорциума Graphene Flagship. Это самая крупная из всех исследовательских инициатив Евросоюза с бюджетом €1 млрд представляет собой новую форму совместных скоординированных экспериментов, осуществляемых в беспрецедентном масштабе.

Интерес к спиновому токопереносу при комнатной температуре возник в 2007 году при проведении экспериментов в рабочей группе университета города Гронинген физиком и ведущим специалистом программы Graphene Flagship Бертом Ван Виеcом (Bart van Wees). Обсуждение первой практической демонстрации транспортировки спина вместе с детальным техническим обзором состояния спинтроники в теории и на практике можно найти в академическом журнале Nature Nanotechnology. Одним из авторов обзора является Ярослав Фабиан, ученый из Регенсбурга, работающий по программе консорциума Graphene Flagship (лидерство в области графена).

Эксперименты группы Ван Виеса показали, что эффективность инжекции спина относительно низкая — около 10%, что связано или с несогласованностью проводимости между ферромагнитными металлами и графеном, или с эффектами, вызванными качеством контактов. Существенно более высокие значения эффективности были реализованы с помощью тонких пленок оксида магния в качестве туннельного барьера.

Исследования проводились и в других направлениях, включая использование микроотверстий в качестве контактов в изолирующем барьере, прозрачные контакты, в которых ферромагнитные электроды находятся в непосредственном контакте со слоем графена, и применение таких немагнитных металлов, как медь. В случае туннелирования через изолирующий барьер наибольшая величина магнитного сопротивления в экспериментах достигала 130 Ом, что соответствует эффективности инжекции спина свыше 60%.

Переход от исследований на образцах малого размера к исследованиям спинового токопереноса в графене большой площади является ключевым шагом в практическом использовании спинтроники в подложках интегральных схем. При этом внимание должно быть сосредоточено на транспортировке спина в подвешенных слоях графена, нанесенных на гексагональные подложки из нитрида бора (hBN). По мере совершенствования технологии реализуются все большие протяженности и времена жизни спина, и в статье, которая должна вскоре быть опубликована, рассмотрен практический образец такого графена — hBN-гетероструктуры.

Создание в графене, который изначально является диамагнитным материалом, магнитного порядка становится основной проблемой. Но создание в графене магнитного момента имеет решающее значение, если этот материал предназначен для использования в спинтронике. Существует надежда на реализацию регулируемого магнетизма за счет введения присадок или функционализации графена. Цель может быть достигнута созданием дефектов в гексагональной структуре материала или за счет воздействия поглощенных атомов на его поверхности.

Гидрированный графен является отправной точкой в процессе придания графену магнитных свойств при обратимом поглощении атомов водорода. В этом случае в кристаллической решетке создается дисбаланс с наличием магнитного момента. Другим адсорбируемым атомом, представляющим интерес, является атом фтора, связывающийся с углеродом и превращающий графен в изолятор с большой шириной запрещенной зоны. Как и водород, фтор может обратимо химически поглощаться на поверхности графена.

Максимизация времени жизни спина — чрезвычайно важная задача, если речь идет о применении графеновой спинтроники.

Времена жизни спинов порядка нескольких наносекунд наблюдались в процессе экспериментальных исследований графеновых спиновых клапанов на подложке из двуокиси кремния с туннелирующими контактами, Однако если использовались контактные отверстия, измеренные величины времени жизни спинов составляли лишь доли наносекунд. Релаксация спинов вследствие влияния контактов является важным фактором. Это влияние может быть минимизировано за счет улучшения качества контактов и увеличения расстояния между ферромагнитными электродами до величины, намного большей, чем длина релаксации спина в объеме графена.

Несмотря на многочисленные теоретические исследования, причина спиновой релаксации в графене неясна.

Проблема заключается в том, что ни один из предложенных механизмов спиновой релаксации не работает. Оценки времени жизни спина в соответствии с этими механизмами лежат в пределах нескольких наносекунд (в лучшем случае). Единственный механизм, в рамках которого теоретическая оценка согласуется с результатами экспериментов для однослойного и двухслойного графена, основан на резонансном рассеянии, вызванном локальными магнитными импульсами. Такая модель была предложена группой исследователей под руководством Фабиана в городе Регенсбург.

Последние исследования показали, что подвижность электронов не относится к факторам, ограничивающим время жизни спина, а также то, что рассеяние между заряженными частицами и примесями не является первопричиной релаксации спина в графене. Следует заметить, что выявление первичного источника спиновой релаксации остается важным вызовом для исследователей. Решение этой задачи должно помочь приблизить время жизни спина к теоретическому пределу, что будет иметь важное значение и для фундаментальной науки, и для технологических применений.