p (Phys.org) - Cientistas do Laboratório de Pesquisa Naval demonstraram que o grafeno, uma única camada de átomos de carbono em uma estrutura de favo de mel, pode servir como um contato de barreira de túnel polarizado por spin de baixa resistência que permite com sucesso a injeção / detecção de spin em silício de um metal ferromagnético. p O grafeno fornece uma forma altamente uniforme, barreira de túnel quimicamente inerte e termicamente robusta, livre de defeitos e estados de retenção que afetam as barreiras de óxido. Esta descoberta elimina um obstáculo importante para o desenvolvimento de futuros dispositivos spintrônicos semicondutores, isso é, dispositivos que dependem da manipulação do spin do elétron, em vez de sua carga para baixa potência, processamento de informações de alta velocidade além do escalonamento de tamanho tradicional da Lei de Moore.

p Os resultados da pesquisa são relatados em um artigo publicado em Nature Nanotechnology em 30 de setembro, 2012

p Metais ferromagnéticos, como ferro ou permalloy, têm populações de elétrons com polarização de spin intrinsecamente (mais elétrons "spin-up" do que "spin-down", Veja a figura), e são, portanto, contatos ideais para injeção e detecção de spin em um semicondutor. Uma barreira de túnel intermediária é necessária para evitar a saturação de ambos os canais de spin do semicondutor pela condutividade de metal muito maior - caso contrário, isso resultaria em nenhuma polarização de spin no semicondutor. Contudo, as barreiras de óxido normalmente utilizadas (como Al2O3 ou MgO) introduzem defeitos, carga presa e interdifusão, e tem resistências, que são muito altos - todos esses fatores afetam gravemente o desempenho. Para resolver este problema, a equipe de pesquisa do NRL, liderado pelo Dr. Berend Jonker, usou grafeno de camada única como barreira do túnel. Esta nova abordagem utiliza um resistente a defeitos, material quimicamente inerte e estável com espessura bem controlada para alcançar um contato de rotação de baixa resistência compatível com o metal ferromagnético e semicondutor de escolha. Essas qualidades asseguram uma difusão mínima de / para os materiais circundantes nas temperaturas necessárias para a fabricação do dispositivo.

p A equipe de pesquisa usou esta abordagem para demonstrar a geração elétrica e a detecção do acúmulo de spin no silício acima da temperatura ambiente, e mostraram que os produtos de área de resistência de contato são 100 a 1000 vezes menores do que os obtidos com barreiras de túnel de óxido em substratos de silício com níveis de dopagem idênticos.

p Estes resultados identificam uma nova rota para contatos polarizados por spin de produtos com área de baixa resistência, um requisito fundamental para dispositivos spintrônicos semicondutores que dependem de magnetorresistência de dois terminais, incluindo transistores baseados em spin, lógica e memória, explica o Dr. Berend Jonker da NRL.

p Olhando para o futuro, a equipe do NRL sugere que o uso de grafeno multicamadas em tais estruturas pode fornecer valores muito mais elevados da polarização de spin do túnel devido aos efeitos de filtragem de spin derivados da estrutura de banda que foram previstos para estruturas de metal ferromagnético / grafeno multicamadas selecionadas. Este aumento melhoraria o desempenho de dispositivos spintrônicos semicondutores, fornecendo maiores taxas de sinal para ruído e velocidades operacionais correspondentes, avançando nas aplicações tecnológicas da spintrônica do silício.