Les scientifiques du Naval Research Laboratory ont démontré, pour la première fois, l'utilisation du graphène comme barrière tunnel - une barrière électriquement isolante entre deux matériaux conducteurs à travers lesquels les électrons tunnelent mécaniquement de manière quantique. Ils rapportent la fabrication de jonctions tunnel magnétiques à l'aide de graphène, une feuille d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un seul atome disposée en un réseau en nid d'abeilles, entre deux couches de métal ferromagnétique dans un processus photolithographique entièrement évolutif. Leurs résultats démontrent que le graphène monocouche peut fonctionner comme une barrière tunnel efficace pour les dispositifs à base de charge et de spin, et permettre la réalisation de dispositifs à base de graphène plus complexes pour des circuits nanométriques hautement fonctionnels, tels que les transistors tunnel, mémoire magnétique non volatile et logique de rotation reprogrammable. Ces résultats de recherche sont publiés dans le numéro en ligne de Lettres nano .

La recherche initie un "changement de paradigme dans la technologie de barrière tunnel pour les jonctions tunnel magnétiques (MTJ) utilisées pour les capteurs avancés, mémoire et logique, " explique le Dr Berend Jonker du LNR. Le graphène a fait l'objet d'une intense activité de recherche en raison de ses propriétés électroniques et mécaniques remarquables. Dans le passé, les chercheurs se sont concentrés sur le développement du graphène en tant que conducteur, ou peut-être un semi-conducteur, où le courant circule dans le plan parallèlement à la feuille de nid d'abeilles en carbone. En revanche, les chercheurs du LNR montrent que le graphène constitue une excellente barrière tunnel lorsque le courant est dirigé perpendiculairement au plan, et en fait, préserve également la polarisation de spin du courant tunnel.

Les barrières tunnel sont à la base de nombreuses structures de dispositifs électroniques (à base de charge) et spintroniques (à base de spin). La fabrication de barrières ultra-minces et sans défaut est un défi permanent en science des matériaux. Les barrières tunnel typiques sont à base d'oxydes métalliques (par exemple, l'oxyde d'aluminium ou l'oxyde de magnésium), et des problèmes tels que des épaisseurs non uniformes, trous d'épingle, les défauts et les charges piégées compromettent leurs performances et leur fiabilité. De telles barrières tunnel d'oxyde présentent plusieurs limitations qui entravent les performances futures. Par exemple, ils ont des produits à zone de résistance élevée (RA) qui entraînent une consommation d'énergie et un chauffage local plus élevés ; ils permettent l'interdiffusion aux interfaces, ce qui réduit leurs performances et peut conduire à une défaillance catastrophique ; et leur épaisseur est généralement non uniforme, résultant en des "points chauds" dans le transport actuel. En revanche, Le Dr Jonker explique, les propriétés matérielles inhérentes du graphène en font une barrière tunnel idéale. Le graphène est chimiquement inerte et imperméable à la diffusion même à haute température. L'épaisseur atomique du graphène représente l'ultime mise à l'échelle de la barrière tunnel pour le produit RA le plus bas possible, la plus faible consommation d'énergie et la vitesse de commutation la plus rapide.

Cette découverte par les chercheurs du LNR est importante car les MTJ sont largement utilisées comme têtes de lecture dans le disque dur présent dans chaque ordinateur, et en tant qu'éléments de mémoire dans la mémoire magnétique non volatile à accès aléatoire (MRAM) qui émerge rapidement comme un remplacement de mémoire universel pour les nombreuses variétés de mémoire conventionnelle à base de semi-conducteurs. Ils sont également considérés comme des prétendants principaux en tant que reprogrammables, éléments non volatils pour un bloc logique universel.

Bien qu'il y ait eu des progrès importants, la génération émergente de MRAM basée sur MTJ repose sur la commutation de couple de transfert de spin, et est sévèrement limité par les densités de courant inacceptablement élevées requises pour commuter l'état logique de la cellule. Les problèmes associés de consommation d'énergie et de dissipation thermique empêchent la mise à l'échelle vers des densités plus élevées et le fonctionnement à des tensions CMOS typiques. La feuille de route technologique internationale 2011 pour les semi-conducteurs (ITRS) indique que « toutes les formes existantes de mémoire non volatile sont confrontées à des limitations basées sur les propriétés des matériaux. Le succès dépendra de la recherche et du développement de matériaux alternatifs et/ou du développement de technologies émergentes alternatives ... mémoire non volatile accessible à haute vitesse et haute densité initierait une révolution dans l'architecture informatique ... et fournirait une augmentation significative du débit d'informations au-delà des avantages traditionnels de la mise à l'échelle une fois pleinement réalisée pour les dispositifs CMOS à l'échelle nanométrique" (Résumé exécutif de l'ITRS 2011, p28; et dispositifs de recherche émergents, p. 4).

Les chercheurs du LNR pensent que les jonctions tunnel magnétiques à base de graphène qu'ils ont démontrées éclipseront les performances et la facilité de fabrication de la technologie d'oxyde existante. Ces MTJ à base de graphène constitueraient une percée pour les technologies naissantes basées sur le spin comme la MRAM et la logique de spin, et activer la mémoire non volatile accessible électriquement nécessaire pour initier une révolution dans l'architecture informatique. Ces résultats ouvrent également la voie à l'utilisation d'autres matériaux bidimensionnels tels que le nitrure de bore hexagonal pour des applications similaires.

L'équipe de recherche du LNR comprend le Dr Enrique Cobas, Dr Adam Friedman, Dr Olaf van 't Erve, et le Dr Berend Jonker de la Division de la science et de la technologie des matériaux, et le Dr Jeremy Robinson de la Division des sciences et technologies de l'électronique.