Gli scienziati del Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti hanno creato un nuovo tipo di struttura del dispositivo del tunnel in cui la barriera del tunnel e il canale di trasporto sono realizzati con lo stesso materiale, grafene. Mostrano che il grafene diluito fluorurato, un singolo strato atomico di atomi di carbonio disposti in una matrice a nido d'ape bidimensionale (2D), funge da barriera tunnel su un altro strato di grafene per il trasporto di carica e spin. Dimostrano l'iniezione di tunnel attraverso il grafene fluorurato, e trasporto laterale e rilevamento elettrico della corrente di spin pura nel canale del grafene. Riportano inoltre i valori di iniezione di spin più alti mai misurati per il grafene, fornendo prove per il miglioramento della polarizzazione dello spin del tunnel teoricamente prevista per alcuni metalli ferromagnetici sul grafene. Questa scoperta apre una strada completamente nuova per rendere altamente funzionali, dispositivi elettronici e spintronici scalabili basati sul grafene una realtà.

I risultati della ricerca sono riportati in un articolo pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura il 21 gennaio, 2014.

Gli imperativi accoppiati per la riduzione della dissipazione del calore e del consumo energetico nell'elettronica ad alta densità hanno riacceso l'interesse per i dispositivi basati sul tunneling, un fenomeno quantomeccanico in cui gli elettroni transitano attraverso una potenziale barriera invece di attraversarla. Poiché la barriera del tunnel e il canale di trasporto sono in genere materiali molto diversi, tali dispositivi richiedono l'accoppiamento di materiali dissimili, sollevando problemi di eteroepitassia, uniformità di strato, stabilità dell'interfaccia e stati di difetto elettronico che complicano gravemente la fabbricazione e compromettono le prestazioni.

"Materiali 2D come il grafene e il nitruro di boro esagonale ovviano a questi problemi e offrono un nuovo paradigma per le barriere dei tunnel", spiega il dottor Berend Jonker, Senior Scientist e capo progetto. In forma sfusa, questi materiali sono costituiti da strati ben definiti che mostrano un legame atomico molto forte nel piano, ma legame relativamente debole tra gli strati, noto come legame di van der Waals. I singoli strati possono essere facilmente separati dalla massa, o coltivato direttamente su vaste aree con una varietà di tecniche. Questi strati hanno quindi una forte tendenza ad essere molto uniformi in spessore fino a un singolo atomo, hanno pochissimi difetti, e non si mescolano facilmente con altri materiali:queste sono caratteristiche chiave per una barriera per tunnel, in cui la corrente di tunnel dipende in modo esponenziale dallo spessore della barriera.

Gli scienziati dell'NRL fluorurano lo strato superiore di un doppio strato di grafene per disaccoppiarlo dallo strato inferiore, in modo che funga da barriera tunnel monostrato sia per l'iniezione di carica che di spin nel canale inferiore del grafene. Depositano contatti ohmici (oro) e ferromagnetici permalloy (rosso) come mostrato in figura, formando una struttura della valvola di rotazione non locale. Quando viene applicata una corrente di polarizzazione tra i due contatti di sinistra, una corrente di carica polarizzata con spin passa dal permalloy al canale di trasporto del grafene, generando una pura corrente di spin che si diffonde verso destra. Questa corrente di spin viene rilevata come una tensione sul contatto di permalloy destro che è proporzionale al grado di polarizzazione di spin e al suo orientamento. Il carattere vettoriale dello spin (rispetto al carattere scalare della carica) fornisce meccanismi aggiuntivi per il controllo e la manipolazione necessari per l'elaborazione avanzata delle informazioni.

Il team NRL ha dimostrato la più alta efficienza di iniezione di spin mai misurata per il grafene (63%), e determinate vite di spin con l'effetto Hanle. In contrasto con la maggior parte delle barriere a tunnel di ossido sul grafene, il grafene fluorurato fornisce un'efficienza di polarizzazione dello spin tunneling molto più ampia, attribuito al filtraggio dello spin dell'interfaccia e a un più uniforme, barriera ben controllata, e consente l'osservazione della tensione di Hanle teoricamente prevista e della durata di spin sulla tensione di gate.

Questi risultati identificano una nuova strada verso l'alta qualità, dispositivi elettronici/spintronici al grafene di nuova generazione, inclusi transistor basati su spin, logica, e memoria. Inoltre, il processo è completamente scalabile e facilmente realizzabile. "Nel futuro prossimo, " predice il dottor Adam Friedman, autore principale del progetto, "Saremo in grado di scrivere interi circuiti spintronici in situ su cresciuti, ampie aree di grafene a doppio strato semplicemente modificando chimicamente in modo selettivo lo strato superiore di grafene." Fluorographene/grafene consente la realizzazione di strutture di carbonio omoepitassiali a pochi strati per dispositivi elettronici versatili.