p Cientistas do Laboratório de Pesquisa Naval demonstraram, pela primeira vez, o uso de grafeno como uma barreira de túnel - uma barreira eletricamente isolante entre dois materiais condutores através dos quais os elétrons tunelizam mecanicamente. Eles relatam a fabricação de junções de túnel magnético usando grafeno, um único átomo de folha grossa de átomos de carbono dispostos em uma estrutura de favo de mel, entre duas camadas de metal ferromagnético em um processo fotolitográfico totalmente escalonável. Seus resultados demonstram que o grafeno de camada única pode funcionar como uma barreira de túnel eficaz para dispositivos baseados em carga e spin, e permitir a realização de dispositivos baseados em grafeno mais complexos para circuitos em nanoescala altamente funcionais, como transistores de túnel, memória magnética não volátil e lógica de spin reprogramável. Os resultados da pesquisa são publicados na edição online da Nano Letras . p A pesquisa inicia uma "mudança de paradigma na tecnologia de barreira de túnel para junções de túnel magnéticas (MTJs) usadas para sensores avançados, memória e lógica, "explica o Dr. Berend Jonker da NRL. O grafeno tem sido o foco de intensa atividade de pesquisa por causa de suas notáveis ​​propriedades eletrônicas e mecânicas. No passado, pesquisadores focados no desenvolvimento do grafeno como condutor, ou talvez um semicondutor, onde a corrente flui no plano paralelo à folha do favo de mel de carbono. Em contraste, os pesquisadores do NRL mostram que o grafeno serve como uma excelente barreira de túnel quando a corrente é direcionada perpendicularmente ao plano, e de fato, também preserva a polarização de spin da corrente de tunelamento.

p Barreiras de túnel são a base para muitas estruturas de dispositivos eletrônicos (baseados em carga) e spintrônicos (baseados em spin). A fabricação de barreiras ultrafinas e sem defeitos é um desafio contínuo na ciência dos materiais. Barreiras de túnel típicas são baseadas em óxidos de metal (por exemplo, óxido de alumínio ou óxido de magnésio), e problemas como espessuras não uniformes, furos de alfinetes, defeitos e carga presa comprometem seu desempenho e confiabilidade. Essas barreiras de túnel de óxido têm várias limitações que dificultam o desempenho futuro. Por exemplo, possuem produtos de área de alta resistência (RA) que resultam em maior consumo de energia e aquecimento local; eles permitem a interdifusão nas interfaces, que reduz seu desempenho e pode levar a uma falha catastrófica; e sua espessura geralmente não é uniforme, resultando em "pontos quentes" no transporte atual. Em contraste, Dr. Jonker explica, as propriedades inerentes do material do grafeno o tornam uma barreira de túnel ideal. O grafeno é quimicamente inerte e impermeável à difusão, mesmo em altas temperaturas. A espessura atômica do grafeno representa o máximo em escala de barreira de túnel para o produto de RA mais baixo possível, menor consumo de energia e velocidade de comutação mais rápida.

p Esta descoberta pelos pesquisadores do NRL é significativa porque os MTJs são amplamente utilizados como cabeças de leitura na unidade de disco rígido encontrada em cada computador, e como elementos de memória em memória de acesso aleatório magnético não volátil (MRAM) que está emergindo rapidamente como uma substituição de memória universal para as muitas variedades de memória convencional baseada em semicondutores. Eles também são considerados candidatos principais como reprogramáveis, elementos não voláteis para um bloco lógico universal.

p Embora tenha havido um progresso significativo, a geração emergente de MRAM baseado em MTJ depende de comutação de torque de transferência de rotação, e é severamente limitado pelas densidades de corrente inaceitavelmente altas necessárias para mudar o estado lógico da célula. Os problemas associados de consumo de energia e dissipação térmica evitam o dimensionamento para densidades mais altas e a operação em tensões CMOS típicas. O 2011 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) afirma que "todas as formas existentes de memória não volátil enfrentam limitações com base nas propriedades dos materiais. O sucesso dependerá da descoberta e do desenvolvimento de materiais alternativos e / ou do desenvolvimento de tecnologias alternativas emergentes ... desenvolvimento de eletricamente memória não volátil acessível com alta velocidade e alta densidade iniciaria uma revolução na arquitetura do computador ... e forneceria um aumento significativo na taxa de transferência de informações além dos benefícios tradicionais de escalonamento quando totalmente realizado para dispositivos CMOS em nanoescala "(ITRS 2011 Executive Summary, p28; e Dispositivos de Pesquisa Emergentes, p. 4).

p Os pesquisadores do NRL acreditam que as junções do túnel magnético à base de grafeno que demonstraram eclipsarão o desempenho e a facilidade de fabricação da tecnologia de óxido existente. Esses MTJs baseados em grafeno seriam um avanço para tecnologias baseadas em spin nascentes, como MRAM e lógica de spin, e habilitar a memória não volátil eletricamente acessível necessária para iniciar uma revolução na arquitetura do computador. Esses resultados também abrem caminho para a utilização de outros materiais bidimensionais, como o nitreto de boro hexagonal, para aplicações semelhantes.

p A equipe de pesquisa do NRL inclui o Dr. Enrique Cobas, Dr. Adam Friedman, Dr. Olaf van 't Erve, e Dr. Berend Jonker da Divisão de Ciência e Tecnologia de Materiais, e o Dr. Jeremy Robinson da Divisão de Ciência e Tecnologia Eletrônica.