Los científicos del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL) han creado un nuevo tipo de estructura de dispositivo de túnel en el que la barrera del túnel y el canal de transporte están hechos del mismo material. grafeno. Muestran que el grafeno diluido fluorado, una sola capa atómica de átomos de carbono dispuestos en una matriz de panal bidimensional (2D), actúa como una barrera de túnel sobre otra capa de grafeno para el transporte de carga y giro. Demuestran la inyección en túnel a través del grafeno fluorado, y transporte lateral y detección eléctrica de corriente de espín pura en el canal de grafeno. Además, informan los valores de inyección de espín más altos hasta ahora medidos para el grafeno, proporcionando evidencia de la mejora de la polarización del espín del túnel que se predice teóricamente para ciertos metales ferromagnéticos en el grafeno. Este descubrimiento abre una vía completamente nueva para hacer dispositivos electrónicos y espintrónicos escalables basados ​​en grafeno una realidad.

Los resultados de la investigación se informan en un artículo publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza el 21 de enero 2014.

Los imperativos acoplados para reducir la disipación de calor y el consumo de energía en la electrónica de alta densidad han reavivado el interés en los dispositivos basados ​​en túneles, un fenómeno de mecánica cuántica en el que los electrones transitan a través de una barrera de potencial en lugar de atravesarla. Debido a que la barrera del túnel y el canal de transporte suelen ser materiales muy diferentes, tales dispositivos requieren el apareamiento de materiales diferentes, planteando problemas de heteroepitaxia, uniformidad de capa, la estabilidad de la interfaz y los estados de defectos electrónicos que complican gravemente la fabricación y comprometen el rendimiento.

"Los materiales 2D como el grafeno y el nitruro de boro hexagonal evitan estos problemas y ofrecen un nuevo paradigma para las barreras de los túneles", explica el Dr. Berend Jonker, Científico senior y líder del proyecto. A granel, Estos materiales se componen de capas bien definidas que exhiben un enlace atómico muy fuerte en el plano, pero unión relativamente débil entre las capas, conocido como unión de van der Waals. Las capas individuales se pueden separar fácilmente del volumen, o cultivado directamente sobre grandes áreas mediante una variedad de técnicas. Por lo tanto, estas capas tienen una fuerte tendencia a ser muy uniformes en espesor hasta un solo átomo, tienen muy pocos defectos, y no se entremezclan fácilmente con otros materiales; estas son características clave para una barrera de túnel, en el que la corriente del túnel depende exponencialmente del espesor de la barrera.

Los científicos de NRL fluoran la capa superior de una bicapa de grafeno para desacoplarla de la capa inferior. de modo que sirve como una barrera de túnel de una sola capa para la inyección de carga y giro en el canal de grafeno inferior. Depositan contactos óhmicos (oro) y permalloy ferromagnéticos (rojo) como se muestra en la figura, formando una estructura de válvula de giro no local. Cuando se aplica una corriente de polarización entre los dos contactos izquierdos, una corriente de carga de espín polarizada hace túneles desde la permalloy hasta el canal de transporte de grafeno, generando una corriente de espín pura que se difunde hacia la derecha. Esta corriente de espín se detecta como un voltaje en el contacto de permalloy derecho que es proporcional al grado de polarización del espín y su orientación. El carácter vectorial del espín (comparado con el carácter escalar de la carga) proporciona mecanismos adicionales para el control y la manipulación necesarios para el procesamiento avanzado de la información.

El equipo de NRL demostró la mayor eficiencia de inyección de espín jamás medida para el grafeno (63%), y vida útil determinada con el efecto Hanle. En contraste con la mayoría de las barreras de túnel de óxido en grafeno, El grafeno fluorado proporciona una eficiencia de polarización de espín de efecto túnel mucho mayor, atribuido al filtrado de giro de la interfaz y a una barrera bien controlada, y permite la observación del voltaje de Hanle teóricamente predicho y la vida útil del espín en el voltaje de la puerta.

Estos resultados identifican una nueva ruta hacia la alta calidad, dispositivos electrónicos / espintrónicos de grafeno de próxima generación, incluidos transistores basados ​​en espín, lógica, y memoria. Además, el proceso es completamente escalable y fácil de realizar. "En el futuro cercano, "predice el Dr. Adam Friedman, autor principal del proyecto, "Podremos escribir circuitos espintrónicos completos in situ en cultivos, grandes áreas de grafeno bicapa simplemente modificando químicamente selectivamente la capa superior de grafeno. "El fluorografeno / grafeno permite la realización de estructuras de carbono homoepitaxiales de pocas capas para dispositivos electrónicos versátiles.