(Phys.org)—Les scientifiques du Naval Research Laboratory ont démontré que le graphène, une seule couche d'atomes de carbone dans un réseau en nid d'abeille, peut servir de contact barrière tunnel polarisé en spin à faible résistance qui permet avec succès l'injection/la détection de spin dans le silicium à partir d'un métal ferromagnétique.

Le graphène fournit un très uniforme, barrière tunnel chimiquement inerte et thermiquement robuste, exempte de défauts et d'états pièges qui empoisonnent les barrières d'oxyde. Cette découverte lève un obstacle important au développement de futurs dispositifs spintroniques à semi-conducteurs, C'est, dispositifs qui reposent sur la manipulation du spin de l'électron plutôt que de sa charge pour une faible puissance, traitement de l'information à grande vitesse au-delà de la mise à l'échelle traditionnelle de la loi de Moore.

Les résultats de la recherche sont rapportés dans un article publié dans Nature Nanotechnologie le 30 septembre, 2012.

Métaux ferromagnétiques, comme le fer ou le permalloy, ont des populations d'électrons intrinsèquement polarisées en spin (plus d'électrons "spin-up" que "spin-down", voir figure), et sont donc des contacts idéaux pour l'injection et la détection de spin dans un semi-conducteur. Une barrière tunnel intermédiaire est nécessaire pour éviter la saturation des deux canaux de spin du semi-conducteur par la conductivité beaucoup plus grande du métal - cela n'entraînerait sinon aucune polarisation de spin nette dans le semi-conducteur. Cependant, les barrières d'oxydes typiquement utilisées (comme Al2O3 ou MgO) introduisent des défauts, charge piégée et interdiffusion, et avoir des résistances, qui sont trop élevés - tous ces facteurs ont un impact sévère sur les performances. Pour résoudre ce problème, l'équipe de recherche du LNR, dirigé par le Dr Berend Jonker, utilisé du graphène monocouche comme barrière tunnel. Cette nouvelle approche utilise une résistance aux défauts, matériau chimiquement inerte et stable avec une épaisseur bien contrôlée pour obtenir un contact de spin à faible résistance compatible à la fois avec le métal ferromagnétique et le semi-conducteur de choix. Ces qualités assurent une diffusion minimale vers/et depuis les matériaux environnants aux températures requises pour la fabrication du dispositif.

L'équipe de recherche a utilisé cette approche pour démontrer la génération électrique et la détection de l'accumulation de spin dans le silicium au-dessus de la température ambiante, et a montré que les produits résistance-surface de contact sont 100 à 1000 fois inférieurs à ceux obtenus avec des barrières tunnel d'oxyde sur des substrats de silicium avec des niveaux de dopage identiques.

Ces résultats identifient une nouvelle voie vers les contacts polarisés en spin des produits à faible résistance, une exigence clé pour les dispositifs spintroniques à semi-conducteurs qui reposent sur une magnétorésistance à deux bornes, y compris les transistors à spin, logique et mémoire, explique le Dr Berend Jonker du LNR.

En regardant vers l'avenir, l'équipe du LNR suggère que l'utilisation de graphène multicouche dans de telles structures peut fournir des valeurs beaucoup plus élevées de la polarisation de spin tunnel en raison des effets de filtrage de spin dérivés de la structure de bande qui ont été prédits pour certaines structures de métal ferromagnétique / graphène multicouche. Cette augmentation permettrait d'améliorer les performances des dispositifs spintroniques à semi-conducteurs en fournissant des rapports signal sur bruit plus élevés et des vitesses de fonctionnement correspondantes, faire progresser les applications technologiques de la spintronique sur silicium.