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美海军研究实验室科学家发明了新的同质外延自旋电子石墨烯隧道装置

美国海军研究实验室(NRL)的科学家们已经发明出一种新型室温条件下电子隧道装置,这种装置包括的隧道势垒和传输信道都是由石墨烯构成的。这种功能化的同质外延装置为自旋电子学石墨烯器件的实现提供了一个简练的方法。其研究结果发表在杂志ACS纳米研究报告。

[据美国海军研究实验室2015年7月15号报道]美国海军研究实验室(NRL)的科学家们已经发明出一种新型室温条件下电子隧道装置,这种装置包括的隧道势垒和传输信道都是由石墨烯构成的。这种功能化的同质外延装置为自旋电子学石墨烯器件的实现提供了一个简练的方法。其研究结果发表在杂志ACS纳米研究报告。

海军实验研究所表明氢化石墨烯是以氢原子结束的单原子层的碳原子排列在一个二维蜂窝状阵列,作为另一层石墨烯上的隧道势垒用来为电荷充电和自旋输运。他们论证了通过氢化石墨烯构成的自旋极化隧道、横向运输、旋进和石墨烯信道中的纯自旋电流通道的电气检测。这个团队进一步报告了石墨烯隧道比其他常见的氧化物隧道在室温下有更高的自旋化。尽管对石墨烯自旋传输有近十年的研究,但是在度量如旋转寿命和扩散长度方面几乎没有进展,报道值仍然远低于基于石墨烯低原子序数和自旋轨道耦合理论预测值。自选电子学设备获得先进的、低功率高性能并超越摩尔定律的关键在于理解外在限制因素并得到理论预测值。由隧道壁垒引起的散射是解决电气自旋由铁磁体注入半导体时导电性不匹配问题必须考虑的因素,这也是目前最引人注意的话题。一般来说,石墨烯中针孔/缺陷的自由隧道势垒不容易利用正统氧化物方法得到。氢化石墨烯为实现石墨烯中的同质外延隧道势垒提供了一种替代方法。团队成员基思怀特那博士基于氟化作用和等离子体处理对比,提供了一个快速、温和及更稳定的氢化处理过程。此外,海军研究实验室团队的近期研究表明,氢化石墨烯可能是磁性的,它可以用来控制石墨烯中的自旋弛豫。由于其极低的自旋-轨道耦合度,诸如这样的控制非常困难。“这些新的氢化石墨烯外延设备解决了许多困扰着石墨烯自旋电子学的问题,在室温下操作和磁性的控制与先前集成结构和现代电子结构相比有显著优势,”主要研究作者亚当弗里德曼博士解释说。美海军研究实验室的科学家们利用化学气相沉积在培养并积淀出一个四层石墨烯单原子层。然后他们将上面几层氢化,使他们作为一个隧道势垒用来向低层的石墨烯信道中充电和自旋注入。当科学家在左侧两层之间加入电流偏置时,自旋极化充电电流由镍铁导磁合金进入石墨烯传输信道,从而引起纯自旋电流传到右侧。这个自旋电流在右侧的镍铁导磁合金上通过电压值测量,这个电压值与自旋极化率成正比。自旋矢量为预测信息处理的控制和操作提供了额外的作用机制。(中国船舶工业综合技术经济研究院 李木木 向阳)

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