 |
| Διαγράμματα που δείχνουν τον τρόπο που το γραφένιο χρησιμοποιείται για φράγμα σήραγγας σε μία συσκευή spintronic. Η πάνω εικόνα δείχνει ένα στρώμα γραφενίου που χρησιμεύει σαν ένα εμπόδιο μεταξύ της σήραγγας σιδηρομαγνητικό μεταλλική επαφή και του υποστρώματος πυριτίου. Οι επαφές 1 και 3 είναι ωμικές Ti / Au. Η κάτω εικόνα δείχνει ότι η επαφή είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε οι ακμές του γραφενίου να ενσωματώνονται στο μονωτήρα SiN, εμποδίζοντας την αγωγιμότητα μέσω των γραφενίου και ακμής, η οποία θα βραχυκυκλώνει το φράγμα σήραγγας. (Περιοδικό Nature Nanotechnology ) |
Ερευνητές στις ΗΠΑ έχουν βρει ακόμα μια χρήση για το «υλικό θαύμα» γραφένιο. Αντί να εκμεταλλεύονται την εξαιρετική ικανότητα του υλικού ως ηλεκτρικό αγωγό, η ομάδα έχει βρει έναν τρόπο να χρησιμοποιεί το γραφένιο ως ένα εξαιρετικά λεπτό "φράγμα σήραγγος" για την αγωγιμότητα. Η ομάδα λέει ότι η νέα αυτή εφαρμογή είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για την ανάπτυξη σπιντρονικής - μια σχετικά νέα τεχνολογία, που εκμεταλλεύεται το σπιν του ηλεκτρονίου καθώς και το φορτίο του.
Το γραφένιο είναι ένα φύλλο άνθρακα πάχους ενός ατόμου και από τότε που το υλικό απομονώθηκε για πρώτη φορά το 2004, οι ερευνητές έχουν προσπαθήσει να δημιουργήσουν ηλεκτρονικά συστήματα που κάνουν χρήση των μοναδικών ιδιοτήτων του. Μεγαλύτερο μέρος αυτής της προσπάθειας έχει επικεντρωθεί στο πώς τα ηλεκτρόνια ρέουν στο επίπεδο του φύλλου - το οποίο μπορεί να συμπεριφέρεται τόσο ως αγωγός όσο και ημιαγωγός. Αλλά τώρα ο Berry Jonker και οι συνεργάτες του στο Αμερικανικό Ναυτικό Ερευνητικό Εργαστήριο (NRL) έχουν δείξει ότι το γραφένιο μπορεί να χρησιμεύσει ως ένα εξαιρετικό φράγμα σήραγγας, όταν το ρεύμα κατευθύνεται κάθετα προς το επίπεδο των ατόμων του άνθρακα. Η πόλωση του σπιν του ρεύματος που διατηρείται από το φράγμα σήραγγος, είναι ένα εύρημα που θα μπορούσε να έχει σημαντικές συνέπειες για την σπιντρονικής.
Μεταγωγή χαμηλής ενέργειας
Το σπιν του ηλεκτρονίου μπορεί να δείξει μια "πάνω" ή "κάτω" κατεύθυνση και η ιδιότητα αυτή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση και επεξεργασία πληροφοριών σε σπιντρονικές συσκευές. Κυκλώματα που κάνουν ένα ρεύμα-ηλεκτρόνιο με αντίθετο σπιν κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις - θα μπορούσε, κατ 'αρχήν, να είναι μικρότερα και πιο αποτελεσματικά από ό, τι τα συμβατικά ηλεκτρονικά κυκλώματα που βασίζονται μόνο εναλλαγή φόρτησης. Αυτή η δυνατότητα μεταγωγής από πάνω προς τα κάτω μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας πολύ λίγη ενέργεια.
Οι Spintronics συσκευές είναι συνήθως από σιδηρομαγνητικά υλικά και ημιαγωγούς. Σιδηρομαγνητικά μέταλλα, όπως ο σίδηρος ή το permalloy, έχουν εγγενώς spin -πολωμένο πλήθος ηλεκτρονίων - που είναι, διαφορετικού αριθμού από ηλεκτρόνια άνω σπιν και κάτω σπιν - και έτσι κάνουν ιδανικές επαφές για την έγχυση σπιν σε έναν ημιαγωγό. Ωστόσο, και οι ημιαγωγοί και οι σιδηρομαγνήτες έχουν μεγάλη αναντιστοιχία στην αγωγιμότητα, έτσι το σπιν εγχύεται μέσω ενός φράγματος σήραγγας (ένα ηλεκτρικά μονωτικό φράγμα μέσω της οποίας σήραγγας διέρχονται ηλεκτρόνια κβαντομηχανικά. Το πρόβλημα είναι ότι τα εμπόδια, οξείδια συνήθως, χρησιμοποιούνται ως εμπόδια στη σήραγγα, εισαγάγουν ελαττώματα στο σύστημα και έχουν αντιστάσεις που είναι πάρα πολύ υψηλές - παράγοντες που επηρεάζουν αρνητικά την απόδοση της συσκευής.
Εισάγωγή στο φράγμα σήραγγας γραφενίου
Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, ο Jonker και οι συνεργάτες του αποφάσισε να χρησιμοποιήσει μονής στρώσης γραφένιο ως φράγμα σήραγγας, επειδή το υλικό είναι ανθεκτικό στα ελαττώματα, χημικά αδρανή και σταθερά. Αυτές οι ιδιότητες μπορούν να αξιοποιηθούν για να κάνουν χαμηλής αντίστασης επαφές σπιν γραφενίου, που είναι συμβατές τόσο με το σιδηρομαγνητικό μέταλλο όσο και με τους ημιαγωγούς.
Οι ερευνητές άρχισαν με μηχανική μεταφορά γραφενίου που γίνεται με χημική εναπόθεση ατμών επί υδρογονοπαθητικοποιημένες επιφάνειες πυριτίου. Θα επιτευχθεί αυτό με επίπλευση του γραφενίου στην επιφάνεια του νερού και φέρνοντας το υπόστρωμα πυριτίου από κάτω προς τα επάνω. Αυτή η κοινή τεχνική εξασφαλίζει ότι δεν υπάρχει στρώμα οξειδίου μεταξύ της επιφάνειας του πυριτίου και γραφενίου. Η ομάδα έγχυσε, στη συνέχεια σπιν από ένα σιδηρομαγνητικό κράμα νικελίου-σιδήρου στο πυρίτιο μέσω φράγματος σήραγγας γραφενίου. Η τάση που προκύπτει από την προκύπτουσα πόλωση του σπιν του πυριτίου μετρήθηκε στη συνέχεια χρησιμοποιώντας το φαινόμενο Hanle, μια μέθοδο που χρησιμοποιούνται συνήθως από επιστήμονες σπιντρονικής.
Πέρα από το νόμο του Moore
"Η ανακάλυψή μας εξαλείφει ένα σημαντικό εμπόδιο για την ανάπτυξη των μελλοντικών ημιαγωγών συσκευών σπιντρονικής - δηλαδή, συσκευές που βασίζονται στο χειρισμό του σπιν του ηλεκτρονίου και όχι μόνο επιβάρυνση για χαμηλής ισχύος, υψηλής ταχύτητας επεξεργασίας πληροφοριών πέρα από την παραδοσιακή κλιμάκωση μεγέθους του νόμου του Moore", λέει ο Jonker. "Τα αποτελέσματα αυτά προσδιορίζουν μια νέα διαδρομή για να κατασκευάσει επαφές χαμηλής αντίστασης στη ζώνη του πολωμένου σπιν, οι οποίες είναι βασικές για συσκευές ημιαγωγών σπιντρονικής, που βασίζονται σε μαγνητοαντίσταση δύο τερματικών, συμπεριλαμβανομένων των spin -με βάση τρανζίστορ, τη λογική και τη μνήμη."
"Μια τέτοια αύξηση θα βελτιώσει την απόδοση των συσκευών ημιαγωγών σπιντρονικής με την παροχή υψηλότερων λόγων σήματος προς θόρυβο και αντίστοιχες ταχύτητες λειτουργίας, έτσι θα έχουμε προώθηση των τεχνολογικών εφαρμογών της σπιντρονικής πυριτίου", λέει.
Το έργο, το οποίο υποστηρίζεται από προγράμματα της ΕΕΑ και την αμερικανική Υπηρεσία Ναυτικών Ερευνών, περιγράφεται στο περιοδικό Nature Nanotechnology .
Το σπιν του ηλεκτρονίου μπορεί να δείξει μια "πάνω" ή "κάτω" κατεύθυνση και η ιδιότητα αυτή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση και επεξεργασία πληροφοριών σε σπιντρονικές συσκευές. Κυκλώματα που κάνουν ένα ρεύμα-ηλεκτρόνιο με αντίθετο σπιν κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις - θα μπορούσε, κατ 'αρχήν, να είναι μικρότερα και πιο αποτελεσματικά από ό, τι τα συμβατικά ηλεκτρονικά κυκλώματα που βασίζονται μόνο εναλλαγή φόρτησης. Αυτή η δυνατότητα μεταγωγής από πάνω προς τα κάτω μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας πολύ λίγη ενέργεια.
Οι Spintronics συσκευές είναι συνήθως από σιδηρομαγνητικά υλικά και ημιαγωγούς. Σιδηρομαγνητικά μέταλλα, όπως ο σίδηρος ή το permalloy, έχουν εγγενώς spin -πολωμένο πλήθος ηλεκτρονίων - που είναι, διαφορετικού αριθμού από ηλεκτρόνια άνω σπιν και κάτω σπιν - και έτσι κάνουν ιδανικές επαφές για την έγχυση σπιν σε έναν ημιαγωγό. Ωστόσο, και οι ημιαγωγοί και οι σιδηρομαγνήτες έχουν μεγάλη αναντιστοιχία στην αγωγιμότητα, έτσι το σπιν εγχύεται μέσω ενός φράγματος σήραγγας (ένα ηλεκτρικά μονωτικό φράγμα μέσω της οποίας σήραγγας διέρχονται ηλεκτρόνια κβαντομηχανικά. Το πρόβλημα είναι ότι τα εμπόδια, οξείδια συνήθως, χρησιμοποιούνται ως εμπόδια στη σήραγγα, εισαγάγουν ελαττώματα στο σύστημα και έχουν αντιστάσεις που είναι πάρα πολύ υψηλές - παράγοντες που επηρεάζουν αρνητικά την απόδοση της συσκευής.
Εισάγωγή στο φράγμα σήραγγας γραφενίου
Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, ο Jonker και οι συνεργάτες του αποφάσισε να χρησιμοποιήσει μονής στρώσης γραφένιο ως φράγμα σήραγγας, επειδή το υλικό είναι ανθεκτικό στα ελαττώματα, χημικά αδρανή και σταθερά. Αυτές οι ιδιότητες μπορούν να αξιοποιηθούν για να κάνουν χαμηλής αντίστασης επαφές σπιν γραφενίου, που είναι συμβατές τόσο με το σιδηρομαγνητικό μέταλλο όσο και με τους ημιαγωγούς.
Οι ερευνητές άρχισαν με μηχανική μεταφορά γραφενίου που γίνεται με χημική εναπόθεση ατμών επί υδρογονοπαθητικοποιημένες επιφάνειες πυριτίου. Θα επιτευχθεί αυτό με επίπλευση του γραφενίου στην επιφάνεια του νερού και φέρνοντας το υπόστρωμα πυριτίου από κάτω προς τα επάνω. Αυτή η κοινή τεχνική εξασφαλίζει ότι δεν υπάρχει στρώμα οξειδίου μεταξύ της επιφάνειας του πυριτίου και γραφενίου. Η ομάδα έγχυσε, στη συνέχεια σπιν από ένα σιδηρομαγνητικό κράμα νικελίου-σιδήρου στο πυρίτιο μέσω φράγματος σήραγγας γραφενίου. Η τάση που προκύπτει από την προκύπτουσα πόλωση του σπιν του πυριτίου μετρήθηκε στη συνέχεια χρησιμοποιώντας το φαινόμενο Hanle, μια μέθοδο που χρησιμοποιούνται συνήθως από επιστήμονες σπιντρονικής.
Πέρα από το νόμο του Moore
"Η ανακάλυψή μας εξαλείφει ένα σημαντικό εμπόδιο για την ανάπτυξη των μελλοντικών ημιαγωγών συσκευών σπιντρονικής - δηλαδή, συσκευές που βασίζονται στο χειρισμό του σπιν του ηλεκτρονίου και όχι μόνο επιβάρυνση για χαμηλής ισχύος, υψηλής ταχύτητας επεξεργασίας πληροφοριών πέρα από την παραδοσιακή κλιμάκωση μεγέθους του νόμου του Moore", λέει ο Jonker. "Τα αποτελέσματα αυτά προσδιορίζουν μια νέα διαδρομή για να κατασκευάσει επαφές χαμηλής αντίστασης στη ζώνη του πολωμένου σπιν, οι οποίες είναι βασικές για συσκευές ημιαγωγών σπιντρονικής, που βασίζονται σε μαγνητοαντίσταση δύο τερματικών, συμπεριλαμβανομένων των spin -με βάση τρανζίστορ, τη λογική και τη μνήμη."
"Μια τέτοια αύξηση θα βελτιώσει την απόδοση των συσκευών ημιαγωγών σπιντρονικής με την παροχή υψηλότερων λόγων σήματος προς θόρυβο και αντίστοιχες ταχύτητες λειτουργίας, έτσι θα έχουμε προώθηση των τεχνολογικών εφαρμογών της σπιντρονικής πυριτίου", λέει.
Το έργο, το οποίο υποστηρίζεται από προγράμματα της ΕΕΑ και την αμερικανική Υπηρεσία Ναυτικών Ερευνών, περιγράφεται στο περιοδικό Nature Nanotechnology .
Πηγή, physicsworld
Απόδοση στα ελληνικά, Δημήτρης Γιάκας
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου