Los científicos del Laboratorio de Investigación Naval han demostrado, por primera vez, el uso de grafeno como barrera de túnel, una barrera eléctricamente aislante entre dos materiales conductores a través de los cuales los electrones hacen un túnel cuántico. Informan la fabricación de uniones de túneles magnéticos utilizando grafeno, una hoja de átomos de carbono de un solo átomo de espesor dispuesta en una red en forma de panal, entre dos capas de metal ferromagnético en un proceso fotolitográfico totalmente escalable. Sus resultados demuestran que el grafeno de una sola capa puede funcionar como una barrera de túnel eficaz para dispositivos de carga y basados ​​en espín. y permitir la realización de dispositivos basados ​​en grafeno más complejos para circuitos a nanoescala altamente funcionales, como transistores de túnel, memoria magnética no volátil y lógica de giro reprogramable. Estos resultados de investigación se publican en la edición en línea de Nano letras .

La investigación inicia un "cambio de paradigma en la tecnología de barrera de túneles para uniones magnéticas de túneles (MTJ) utilizadas para sensores avanzados, memoria y lógica, "explica el Dr. Berend Jonker de NRL. El grafeno ha sido el foco de una intensa actividad de investigación debido a sus notables propiedades electrónicas y mecánicas. En el pasado, investigadores centrados en el desarrollo del grafeno como conductor, o quizás un semiconductor, donde la corriente fluye en el plano paralelo a la hoja de carbono alveolar. A diferencia de, Los investigadores de NRL muestran que el grafeno sirve como una excelente barrera de túnel cuando la corriente se dirige perpendicular al plano. y de hecho, también preserva la polarización de espín de la corriente de túnel.

Las barreras de túnel son la base de muchas estructuras de dispositivos electrónicos (basados ​​en carga) y espintrónicos (basados ​​en espín). La fabricación de barreras ultrafinas y sin defectos es un desafío continuo en la ciencia de los materiales. Las barreras típicas de los túneles se basan en óxidos metálicos (por ejemplo, óxido de aluminio u óxido de magnesio), y problemas como espesores no uniformes, poros, los defectos y la carga atrapada comprometen su rendimiento y fiabilidad. Tales barreras de túnel de óxido tienen varias limitaciones que dificultan el desempeño futuro. Por ejemplo, tienen productos de área de alta resistencia (RA) que resulta en un mayor consumo de energía y calefacción local; permiten la interdifusión en las interfaces, que reduce su rendimiento y puede conducir a fallas catastróficas; y su grosor generalmente no es uniforme, resultando en "puntos calientes" en el transporte actual. A diferencia de, El Dr. Jonker explica:las propiedades materiales inherentes del grafeno lo convierten en una barrera ideal para túneles. El grafeno es químicamente inerte e impermeable a la difusión incluso a altas temperaturas. El espesor atómico del grafeno representa lo último en escalamiento de barrera de túnel para el producto RA más bajo posible, el menor consumo de energía y la velocidad de conmutación más rápida.

Este descubrimiento de los investigadores de NRL es significativo porque los MTJ se utilizan ampliamente como cabezales de lectura en la unidad de disco duro que se encuentra en todas las computadoras. y como elementos de memoria en la memoria de acceso aleatorio magnético no volátil (MRAM) que está emergiendo rápidamente como un reemplazo de memoria universal para las muchas variedades de memoria convencional basada en semiconductores. También se consideran contendientes principales como reprogramables, elementos no volátiles para un bloque lógico universal.

Aunque ha habido un progreso significativo, la generación emergente de MRAM basada en MTJ se basa en la conmutación de par de transferencia de giro, y está severamente limitado por las densidades de corriente inaceptablemente altas requeridas para cambiar el estado lógico de la celda. Los problemas que acompañan al consumo de energía y la disipación térmica evitan el escalado a densidades más altas y el funcionamiento con voltajes CMOS típicos. La Hoja de Ruta Internacional de Tecnología para Semiconductores (ITRS) de 2011 establece que "todas las formas existentes de memoria no volátil enfrentan limitaciones basadas en las propiedades de los materiales. El éxito dependerá de encontrar y desarrollar materiales alternativos y / o desarrollar tecnologías emergentes alternativas ... la memoria no volátil accesible con alta velocidad y alta densidad iniciaría una revolución en la arquitectura de la computadora ... y proporcionaría un aumento significativo en el rendimiento de la información más allá de los beneficios tradicionales de escalar cuando se realiza completamente para dispositivos CMOS a nanoescala "(Resumen ejecutivo de ITRS 2011, p28; y dispositivos de investigación emergentes, pag. 4).

Los investigadores de NRL creen que las uniones de túnel magnético basadas en grafeno que han demostrado eclipsarán el rendimiento y la facilidad de fabricación de la tecnología de óxido existente. Estos MTJ basados ​​en grafeno serían un gran avance para las tecnologías nacientes basadas en espines como MRAM y lógica de espín. y habilitar la memoria no volátil accesible eléctricamente necesaria para iniciar una revolución en la arquitectura de la computadora. Estos resultados también allanan el camino para la utilización de otros materiales bidimensionales como el nitruro de boro hexagonal para aplicaciones similares.

El equipo de investigación de NRL incluye al Dr. Enrique Cobas, Dr. Adam Friedman, Dr. Olaf van 't Erve, y el Dr. Berend Jonker de la División de Ciencia y Tecnología de Materiales, y el Dr. Jeremy Robinson de la División de Ciencia y Tecnología Electrónica.