Los científicos de NRL utilizaron con éxito el grafeno, una sola capa de átomos de carbono en una red de panal (gris), como una barrera de túnel para inyectar eléctricamente electrones de espín polarizados de un contacto ferromagnético de NiFe (rojo) en un sustrato de silicio (violeta). La acumulación neta de espines en el silicio produce un voltaje, que se puede medir directamente. Inyección de giro, la manipulación y la detección son los elementos fundamentales que permiten el procesamiento de la información con el espín del electrón en lugar de su carga. Crédito:Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.
(Phys.org) —Los científicos del Laboratorio de Investigación Naval han demostrado que el grafeno, una sola capa de átomos de carbono en una red de panal, puede servir como un contacto de barrera de túnel con polarización de espín de baja resistencia que permite con éxito la inyección / detección de espín en silicio de un metal ferromagnético.
El grafeno proporciona una alta uniformidad, Barrera de túnel químicamente inerte y térmicamente robusta libre de defectos y estados de trampa que plagan las barreras de óxido. Este descubrimiento despeja un obstáculo importante para el desarrollo de futuros dispositivos espintrónicos semiconductores, es decir, dispositivos que se basan en la manipulación del espín del electrón en lugar de su carga de baja potencia, procesamiento de información de alta velocidad más allá de la escala de tamaño tradicional de la Ley de Moore.
Los resultados de la investigación se informan en un artículo publicado en Nanotecnología de la naturaleza el 30 de septiembre 2012.
Metales ferromagnéticos, como hierro o permalloy, tienen poblaciones de electrones con polarización de espín intrínseca (más electrones "spin-up" que "spin-down", ver figura), y por tanto son contactos ideales para la inyección y detección de espín en un semiconductor. Se requiere una barrera de túnel intermedio para evitar la saturación de ambos canales de espín del semiconductor por la conductividad mucho mayor del metal; de lo contrario, esto daría como resultado una polarización neta del espín en el semiconductor. Sin embargo, las barreras de óxido típicamente utilizadas (como Al2O3 o MgO) introducen defectos, carga atrapada e interdifusión, y tener resistencias, que son demasiado altos:todos estos factores afectan gravemente el rendimiento. Para resolver este problema, el equipo de investigación de NRL, dirigido por el Dr. Berend Jonker, utilizó grafeno de una sola capa como barrera del túnel. Este enfoque novedoso utiliza una resistencia a defectos, material químicamente inerte y estable con un espesor bien controlado para lograr un contacto de giro de baja resistencia compatible tanto con el metal ferromagnético como con el semiconductor de elección. Estas cualidades aseguran una difusión mínima hacia y desde los materiales circundantes a las temperaturas requeridas para la fabricación del dispositivo.
El equipo de investigación utilizó este enfoque para demostrar la generación eléctrica y la detección de la acumulación de espines en el silicio por encima de la temperatura ambiente. y demostró que los productos del área de resistencia de contacto son de 100 a 1000 veces más bajos que los obtenidos con barreras de túnel de óxido sobre sustratos de silicio con niveles de dopaje idénticos.
Estos resultados identifican una nueva ruta hacia los contactos polarizados de espín de producto de área de baja resistencia, un requisito clave para los dispositivos espintrónicos semiconductores que dependen de magnetorresistencia de dos terminales, incluyendo transistores basados en espín, lógica y memoria, explica el Dr. Berend Jonker de NRL.
Mirando hacia el futuro, El equipo de NRL sugiere que el uso de grafeno multicapa en tales estructuras puede proporcionar valores mucho más altos de la polarización del espín del túnel debido a los efectos de filtrado de espín derivados de la estructura de banda que se han predicho para estructuras seleccionadas de metal ferromagnético / grafeno multicapa. Este aumento mejoraría el rendimiento de los dispositivos espintrónicos semiconductores al proporcionar relaciones de señal a ruido más altas y las velocidades de funcionamiento correspondientes. avanzar en las aplicaciones tecnológicas de la espintrónica de silicio.
