(Phys.org)—Gli scienziati del Naval Research Laboratory hanno dimostrato che il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio in un reticolo a nido d'ape, può fungere da contatto a barriera a tunnel polarizzato con spin a bassa resistenza che consente con successo l'iniezione/rilevazione di spin nel silicio da un metallo ferromagnetico.

Il grafene fornisce un'elevata uniformità, barriera a tunnel chimicamente inerte e termicamente robusta priva di difetti e stati di trappola che affliggono le barriere di ossido. Questa scoperta elimina un importante ostacolo allo sviluppo di futuri dispositivi spintronici a semiconduttore, questo è, dispositivi che si basano sulla manipolazione dello spin dell'elettrone piuttosto che sulla sua carica a bassa potenza, elaborazione delle informazioni ad alta velocità oltre il tradizionale ridimensionamento delle dimensioni della legge di Moore.

I risultati della ricerca sono riportati in un articolo pubblicato su Nanotecnologia della natura il 30 settembre, 2012.

Metalli ferromagnetici, come ferro o permalloy, hanno popolazioni di elettroni intrinsecamente spin-polarizzati (più elettroni "spin-up" che "spin-down", Guarda la figura), e sono quindi contatti ideali per l'iniezione e il rilevamento di spin in un semiconduttore. È necessaria una barriera tunnel interposta per evitare la saturazione di entrambi i canali di spin del semiconduttore da parte della conduttività del metallo molto più grande - ciò non comporterebbe altrimenti alcuna polarizzazione di spin netta nel semiconduttore. Però, le barriere all'ossido tipicamente utilizzate (come Al2O3 o MgO) introducono difetti, carica intrappolata e interdiffusione, e avere resistenze, che sono troppo alti - tutti questi fattori influiscono gravemente sulle prestazioni. Risolvere questo problema, il gruppo di ricerca NRL, guidato dal dottor Berend Jonker, utilizzato grafene a strato singolo come barriera del tunnel. Questo nuovo approccio utilizza un difetto resistente, materiale chimicamente inerte e stabile con uno spessore ben controllato per ottenere un contatto di spin a bassa resistenza compatibile sia con il metallo ferromagnetico che con il semiconduttore scelto. Queste qualità assicurano una diffusione minima da/verso i materiali circostanti alle temperature richieste per la produzione del dispositivo.

Il team di ricerca ha utilizzato questo approccio per dimostrare la generazione elettrica e il rilevamento dell'accumulo di spin nel silicio al di sopra della temperatura ambiente, e hanno mostrato che i prodotti dell'area di resistenza di contatto sono da 100 a 1000 volte inferiori a quelli ottenuti con barriere a tunnel di ossido su substrati di silicio con livelli di drogaggio identici.

Questi risultati identificano un nuovo percorso verso contatti spin-polarizzati del prodotto a bassa resistenza, un requisito chiave per i dispositivi spintronici a semiconduttore che si basano sulla magnetoresistenza a due terminali, compresi i transistor basati su spin, logica e memoria, spiega il dottor Berend Jonker della NRL.

Guardando al futuro, il team dell'NRL suggerisce che l'uso del grafene multistrato in tali strutture può fornire valori molto più elevati della polarizzazione dello spin del tunnel a causa degli effetti di filtraggio dello spin derivati ​​dalla struttura a bande che sono stati previsti per selezionate strutture di metallo ferromagnetico / grafene multistrato. Questo aumento migliorerebbe le prestazioni dei dispositivi spintronici a semiconduttore fornendo rapporti segnale/rumore più elevati e velocità operative corrispondenti, avanzare le applicazioni tecnologiche della spintronica del silicio.