Operação em baixa temperatura e temperatura ambiente da válvula de rotação de grafeno homoepitaxial (à esquerda) e um esquema (à direita) de um dos dispositivos de válvula de rotação de grafeno fluorado / grafeno homoepitaxial. Etapas distintas na resistência aparecem nos campos coercitivos dos contatos ferromagnéticos, produzindo platôs de maior resistência quando as magnetizações de contato ferromagnéticas são antiparalelas, conforme indicado pelas setas pretas. Apenas uma diminuição de 50% na magnitude é observada de 10 K para a temperatura ambiente. As camadas superiores de grafeno são usadas como uma barreira de túnel. É hidrogenado para desacopla-lo da camada inferior de grafeno, que é o canal de transporte de spin. Contatos de permalloy ferromagnético (NiFe - vermelho) injetam e detectam o spin no canal. Os contatos de ouro são contatos ôhmicos de referência (Ti / Au). Crédito:Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA
Cientistas do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL) criaram um novo tipo de estrutura de dispositivo de túnel à temperatura ambiente em que a barreira do túnel e o canal de transporte são feitos do mesmo material, grafeno. Essas estruturas homoepitaxiais funcionalizadas fornecem uma abordagem elegante para a realização de spintrônica à base de grafeno, ou girar eletrônico, dispositivos. Os resultados da pesquisa são relatados em artigo publicado na revista. ACS Nano .
A equipe do NRL mostra que o grafeno hidrogenado, uma camada atômica única terminada em hidrogênio de átomos de carbono disposta em uma matriz de favo de mel bidimensional, atua como uma barreira de túnel em outra camada de grafeno para transporte de carga e spin. Eles demonstram a injeção em túnel polarizado por spin através do grafeno hidrogenado, e transporte lateral, precessão e detecção elétrica de corrente de spin pura no canal de grafeno. A equipe ainda relata valores de polarização de spin mais altos do que os encontrados usando barreiras de túnel de óxido mais comuns, e transporte da centrifugação à temperatura ambiente.
Apesar de quase uma década de pesquisa sobre transporte de spin no grafeno, houve pouca melhoria em métricas importantes, como a vida útil do spin e o comprimento de difusão do spin, e os valores relatados permanecem muito abaixo dos previstos pela teoria baseada no baixo número atômico do grafeno e no acoplamento spin-órbita. Compreender os fatores limitantes extrínsecos e alcançar os valores teoricamente previstos dessas métricas é a chave para habilitar o tipo de baixo consumo de energia, dispositivos spintrônicos de alto desempenho concebidos além da lei de Moore. Espalhamento causado por barreiras de túnel, que são essenciais para resolver o problema de incompatibilidade de condutividade para injeção de spin elétrica de um metal ferromagnético em um semicondutor, é um tópico que agora está chamando a atenção. Uniforme, barreiras de túnel livres de pinhole / defeito no grafeno não são facilmente obtidas com os métodos convencionais que usam óxidos.
A hidrogenação do grafeno oferece um método alternativo para obter uma barreira de túnel homoepitaxial no grafeno. Em contraste com os tratamentos de fluoração e plasma, o processo de hidrogenação química desenvolvido pelo membro da equipe Dr. Keith Whitener fornece um rápido, funcionalização mais suave e estável com cobertura de hidrogênio muito maior. Além disso, estudos recentes, também por equipes NRL, mostram que o grafeno hidrogenado pode ser magnético, que pode ser usado para controlar o relaxamento do spin no grafeno. Por causa de seu acoplamento spin-órbita extremamente baixo, esse controle tem sido difícil. "Esses novos dispositivos homoepitaxiais de grafeno hidrogenado resolvem muitos dos problemas que assolam a spintrônica do grafeno e, com a operação à temperatura ambiente e possível controle com momentos magnéticos, oferecem vantagens distintas em relação às estruturas anteriores para integração com arquiteturas eletrônicas modernas, "explica o Dr. Adam Friedman, autor principal do estudo.
Os cientistas do NRL usam a deposição química de vapor para crescer e depois depositar sequencialmente uma pilha de grafeno de quatro camadas (apenas 4 átomos de espessura). Eles então hidrogenam as poucas camadas superiores para que sirvam como uma barreira de túnel para injeção de carga e spin no canal de grafeno inferior. Eles depositam contatos ôhmicos (ouro) e permalloy ferromagnético (vermelho), como mostrado na figura, formando uma estrutura de válvula de rotação não local. Quando os cientistas aplicam uma corrente de polarização entre os dois contatos esquerdos, um túnel de corrente de carga polarizada por spin do permalloy para o canal de transporte de grafeno, gerando uma corrente de spin pura que se difunde para a direita. Esta corrente de spin é detectada como uma tensão no contato permalloy direito que é proporcional ao grau de polarização do spin e sua orientação. O caráter vetorial do spin (comparado ao caráter escalar da carga) fornece mecanismos adicionais para o controle e manipulação necessários para o processamento avançado de informações. A equipe NRL demonstrou a maior eficiência de injeção de spin (16,5%) do que a maioria dos dispositivos de spin de grafeno anteriores, determinadas vidas de rotação com o efeito Hanle, e observou apenas uma perda de 50% no sinal da válvula de rotação de 10 K para a temperatura ambiente (gráfico à esquerda).
