Los científicos del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL) han creado un nuevo tipo de estructura de dispositivo de túnel a temperatura ambiente en la que la barrera del túnel y el canal de transporte están hechos del mismo material. grafeno. Tales estructuras homoepitaxiales funcionalizadas proporcionan un enfoque elegante para la realización de espintrónicos basados ​​en grafeno, o girar electrónico, dispositivos. Los resultados de la investigación se informan en un artículo publicado en la revista ACS Nano .

El equipo de NRL muestra que el grafeno hidrogenado, una sola capa atómica de átomos de carbono terminada en hidrógeno dispuesta en una matriz bidimensional de panal, actúa como una barrera de túnel sobre otra capa de grafeno para el transporte de carga y giro. Demuestran la inyección en túnel de espín polarizado a través del grafeno hidrogenado, y transporte lateral, precesión y detección eléctrica de corriente de espín pura en el canal de grafeno. El equipo informa además valores de polarización de espín más altos que los encontrados utilizando barreras de túnel de óxido más comunes, y centrifugar el transporte a temperatura ambiente.

A pesar de casi una década de investigación sobre el transporte de espín en el grafeno, ha habido pocas mejoras en métricas importantes como la vida útil y la duración de la difusión del giro, y los valores reportados permanecen muy por debajo de los predichos por la teoría basada en el bajo número atómico del grafeno y el acoplamiento espín-órbita. Comprender los factores limitantes extrínsecos y lograr los valores teóricamente predichos de estas métricas es clave para habilitar el tipo de avanzada, de baja potencia dispositivos espintrónicos de alto rendimiento previstos más allá de la ley de Moore. Dispersión causada por barreras de túnel, que son esenciales para resolver el problema de la falta de coincidencia de conductividad para la inyección de espín eléctrico de un metal ferromagnético en un semiconductor, es un tema que acaba de llamar la atención. Uniforme, Las barreras de túnel libres de agujeros / defectos en grafeno no se logran fácilmente con los métodos convencionales que usan óxidos.

La hidrogenación del grafeno ofrece un método alternativo para lograr una barrera de túnel homoepitaxial sobre el grafeno. A diferencia de los tratamientos con fluoración y plasma, El proceso de hidrogenación química desarrollado por el miembro del equipo, el Dr. Keith Whitener, proporciona una funcionalización más suave y estable con una cobertura de hidrógeno mucho mayor. Es más, estudios recientes, también por equipos de NRL, muestran que el grafeno hidrogenado podría ser magnético, que podría usarse para controlar la relajación de espín en el grafeno. Debido a su acoplamiento órbita-giro extremadamente bajo, tal control ha sido difícil. "Estos nuevos dispositivos homoepitaxiales de grafeno hidrogenado resuelven muchos de los problemas que afectan a la espintrónica del grafeno y, con el funcionamiento a temperatura ambiente y posible control con momentos magnéticos, ofrecen distintas ventajas sobre estructuras anteriores para la integración con arquitecturas electrónicas modernas, "explica el Dr. Adam Friedman, autor principal del estudio.

Los científicos del NRL utilizan la deposición de vapor químico para crecer y luego depositan secuencialmente una pila de grafeno de cuatro capas (solo 4 átomos de espesor). Luego hidrogenan las pocas capas superiores para que sirvan como una barrera de túnel 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 los científicos aplican una corriente de polarización entre los dos contactos de la izquierda, 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 giro (16,5%) que la mayoría de los dispositivos de giro de grafeno anteriores. vida útil determinada con el efecto Hanle, y observó solo una pérdida del 50% en la señal de la válvula de giro de 10 K a temperatura ambiente (gráfico de la izquierda).