Gli scienziati del Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti hanno creato un nuovo tipo di struttura del dispositivo a tunnel a temperatura ambiente in cui la barriera del tunnel e il canale di trasporto sono realizzati con lo stesso materiale, grafene. Tali strutture omoepitassiali funzionalizzate forniscono un approccio elegante per la realizzazione di spintronici a base di grafene, o spin elettronico, dispositivi. I risultati della ricerca sono riportati in un articolo pubblicato sulla rivista ACS Nano .

Il team dell'NRL mostra che il grafene idrogenato, un singolo strato atomico terminato con idrogeno di atomi di carbonio disposti in una matrice bidimensionale a nido d'ape, funge da barriera tunnel su un altro strato di grafene per il trasporto di carica e spin. Dimostrano l'iniezione di tunnel con spin polarizzato attraverso il grafene idrogenato, e trasporto laterale, precessione e rilevamento elettrico di pura corrente di spin nel canale del grafene. Il team riporta inoltre valori di polarizzazione dello spin più elevati rispetto a quelli riscontrati utilizzando le più comuni barriere a tunnel di ossido, e trasporto di spin a temperatura ambiente.

Nonostante quasi un decennio di ricerche sul trasporto di spin nel grafene, c'è stato un piccolo miglioramento in importanti metriche come la durata dello spin e la lunghezza della diffusione dello spin, e i valori riportati rimangono molto al di sotto di quelli previsti dalla teoria basata sul basso numero atomico del grafene e sull'accoppiamento spin-orbita. Comprendere i fattori limitanti estrinseci e raggiungere i valori teoricamente previsti di queste metriche è la chiave per abilitare il tipo di avanzato, a bassa potenza, dispositivi spintronici ad alte prestazioni previsti oltre la legge di Moore. Dispersione causata dalle barriere del tunnel, che sono essenziali per risolvere il problema del disadattamento di conduttività per l'iniezione di spin elettrico da un metallo ferromagnetico in un semiconduttore, è un argomento che sta attirando l'attenzione solo ora. Uniforme, le barriere del tunnel prive di fori stenopeici/difetti sul grafene non sono facilmente raggiungibili con i metodi convenzionali che utilizzano gli ossidi.

L'idrogenazione del grafene offre un metodo alternativo per ottenere una barriera tunnel omoepitassiale sul grafene. A differenza dei trattamenti di fluorurazione e plasma, il processo di idrogenazione chimica sviluppato dal membro del team Dr. Keith Whitener fornisce un rapido, funzionalizzazione più delicata e più stabile con una copertura di idrogeno molto più elevata. Inoltre, studi recenti, anche dai team NRL, mostrano che il grafene idrogenato potrebbe essere magnetico, che potrebbe essere utilizzato per controllare il rilassamento dello spin nel grafene. A causa del suo accoppiamento spin-orbita estremamente basso, tale controllo è stato difficile. "Questi nuovi dispositivi omoepitassiali al grafene idrogenato risolvono molti dei problemi che affliggono la spintronica del grafene e, con il funzionamento a temperatura ambiente ed eventuale controllo con momenti magnetici, offrono vantaggi distinti rispetto alle precedenti strutture per l'integrazione con le moderne architetture elettroniche, " spiega il dottor Adam Friedman, autore principale dello studio.

Gli scienziati dell'NRL utilizzano la deposizione chimica da vapore per crescere e quindi depositare in sequenza uno stack di grafene a quattro strati (spessore solo 4 atomi). Quindi idrogenano i pochi strati superiori in modo che servano da barriera tunnel 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 gli scienziati applicano 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 maggiore efficienza di iniezione di spin (16,5%) rispetto alla maggior parte dei precedenti dispositivi di spin al grafene, vite di spin determinate con l'effetto Hanle, e osservato solo una perdita del 50% nel segnale della valvola di rotazione da 10 K alla temperatura ambiente (grafico a sinistra).