Gli scienziati del Laboratorio di ricerca navale hanno dimostrato, per la prima volta, l'uso del grafene come barriera tunnel - una barriera elettricamente isolante tra due materiali conduttori attraverso la quale gli elettroni si incanalano in modo quantistico. Riferiscono la fabbricazione di giunzioni tunnel magnetiche utilizzando grafene, un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un singolo atomo disposti in un reticolo a nido d'ape, tra due strati metallici ferromagnetici in un processo fotolitografico completamente scalabile. I loro risultati dimostrano che il grafene a strato singolo può funzionare come un'efficace barriera tunnel per dispositivi basati sia sulla carica che sullo spin, e consentire la realizzazione di dispositivi a base di grafene più complessi per circuiti su nanoscala altamente funzionali, come transistor a tunnel, memoria magnetica non volatile e logica di spin riprogrammabile. Questi risultati della ricerca sono pubblicati nel numero online di Nano lettere .

La ricerca avvia un "cambiamento di paradigma nella tecnologia delle barriere a tunnel per le giunzioni magnetiche a tunnel (MTJ) utilizzate per sensori avanzati, memoria e logica, " spiega il Dr. Berend Jonker di NRL. Il grafene è stato al centro di un'intensa attività di ricerca a causa delle sue notevoli proprietà elettroniche e meccaniche. In passato, i ricercatori si sono concentrati sullo sviluppo del grafene come conduttore, o forse un semiconduttore, dove la corrente scorre nel piano parallelo al foglio a nido d'ape di carbonio. In contrasto, i ricercatori dell'NRL mostrano che il grafene funge da eccellente barriera per il tunnel quando la corrente è diretta perpendicolarmente al piano, e infatti, preserva anche la polarizzazione di spin della corrente di tunneling.

Le barriere a tunnel sono la base per molte strutture di dispositivi elettronici (basati sulla carica) e spintronici (basati sullo spin). La fabbricazione di barriere ultrasottili e prive di difetti è una sfida continua nella scienza dei materiali. Le tipiche barriere a tunnel si basano su ossidi metallici (ad es. ossido di alluminio o ossido di magnesio), e problematiche come spessori non uniformi, fori di spillo, difetti e carica intrappolata ne compromettono le prestazioni e l'affidabilità. Tali barriere a tunnel di ossido hanno diverse limitazioni che ostacolano le prestazioni future. Per esempio, hanno prodotti ad alta resistenza (RA) che si traduce in un maggiore consumo di energia e riscaldamento locale; consentono l'interdiffusione alle interfacce, che riduce le loro prestazioni e può portare a guasti catastrofici; e il loro spessore è generalmente non uniforme, con conseguente "punti caldi" nel trasporto corrente. In contrasto, Il dottor Jonker spiega, le proprietà intrinseche del materiale del grafene lo rendono una barriera ideale per i tunnel. Il grafene è chimicamente inerte e impermeabile alla diffusione anche ad alte temperature. Lo spessore atomico del grafene rappresenta il massimo in termini di ridimensionamento della barriera del tunnel per il prodotto RA più basso possibile, minor consumo energetico e massima velocità di commutazione.

Questa scoperta da parte dei ricercatori dell'NRL è significativa perché gli MTJ sono ampiamente utilizzati come testine di lettura nell'unità disco rigido presente in ogni computer, e come elementi di memoria nella memoria ad accesso casuale magnetico non volatile (MRAM) che sta rapidamente emergendo come un sostituto di memoria universale per le molte varietà di memoria convenzionale basata su semiconduttori. Sono anche considerati contendenti principali come riprogrammabili, elementi non volatili per un blocco logico universale.

Nonostante ci siano stati progressi significativi, la generazione emergente di MRAM basata su MTJ si basa sulla commutazione di coppia di trasferimento di spin, ed è fortemente limitato dalle densità di corrente inaccettabilmente elevate richieste per commutare lo stato logico della cella. I problemi associati al consumo di energia e alla dissipazione termica impediscono il ridimensionamento a densità più elevate e il funzionamento a tensioni CMOS tipiche. L'International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) del 2011 afferma che "tutte le forme esistenti di memoria non volatile devono affrontare limitazioni basate sulle proprietà dei materiali. Il successo dipenderà dalla ricerca e dallo sviluppo di materiali alternativi e/o dallo sviluppo di tecnologie emergenti alternative... memoria non volatile accessibile ad alta velocità e alta densità darebbe inizio a una rivoluzione nell'architettura dei computer ... e fornirebbe un aumento significativo del throughput di informazioni oltre i tradizionali vantaggi del ridimensionamento quando completamente realizzato per dispositivi CMOS su nanoscala" (ITRS 2011, Executive Summary, p28; e dispositivi di ricerca emergenti, P. 4).

I ricercatori dell'NRL ritengono che le giunzioni del tunnel magnetico a base di grafene che hanno dimostrato eclisseranno le prestazioni e la facilità di fabbricazione della tecnologia a ossido esistente. Questi MTJ a base di grafene sarebbero una svolta per le nascenti tecnologie basate sullo spin come MRAM e logica di spin, e abilitare la memoria non volatile elettricamente accessibile necessaria per avviare una rivoluzione nell'architettura dei computer. Questi risultati aprono anche la strada all'utilizzo di altri materiali bidimensionali come il nitruro di boro esagonale per applicazioni simili.

Il team di ricerca dell'NRL comprende il dott. Enrique Cobas, Dottor Adam Friedman, Il dottor Olaf van 't Erve, e il Dr. Berend Jonker della Divisione Scienza e Tecnologia dei Materiali, e il Dr. Jeremy Robinson della Divisione Scienza e Tecnologia dell'Elettronica.