Les scientifiques du laboratoire de recherche naval des États-Unis (NRL) ont créé un nouveau type de structure de dispositif de tunnel dans lequel la barrière du tunnel et le canal de transport sont constitués du même matériau, graphène. Ils montrent que le graphène fluoré dilué, une couche atomique unique d'atomes de carbone disposés en un réseau en nid d'abeilles bidimensionnel (2D), agit comme une barrière tunnel sur une autre couche de graphène pour le transport de charge et de spin. Ils démontrent l'injection tunnel à travers le graphène fluoré, et le transport latéral et la détection électrique du courant de spin pur dans le canal de graphène. Ils rapportent en outre les valeurs d'injection de spin les plus élevées jamais mesurées pour le graphène, fournissant des preuves de l'amélioration de la polarisation du spin tunnel théoriquement prévue pour certains métaux ferromagnétiques sur le graphène. Cette découverte ouvre une toute nouvelle voie pour rendre hautement fonctionnel, dispositifs électroniques et spintroniques évolutifs à base de graphène une réalité.

Les résultats de la recherche sont rapportés dans un article publié dans la revue Communication Nature le 21 janvier 2014.

Les impératifs couplés de réduction de la dissipation thermique et de la consommation d'énergie dans l'électronique haute densité ont ravivé l'intérêt pour les dispositifs basés sur l'effet tunnel, un phénomène de mécanique quantique dans lequel les électrons traversent une barrière de potentiel plutôt que de la franchir. Étant donné que la barrière du tunnel et le canal de transport sont généralement des matériaux très différents, de tels dispositifs nécessitent l'accouplement de matériaux dissemblables, soulevant des problèmes d'hétéroépitaxie, uniformité de la couche, la stabilité de l'interface et les états de défauts électroniques qui compliquent gravement la fabrication et compromettent les performances.

"Les matériaux 2D tels que le graphène et le nitrure de bore hexagonal évitent ces problèmes et offrent un nouveau paradigme pour les barrières tunnel", explique le Dr Berend Jonker, Scientifique senior et chef de projet. En vrac, ces matériaux sont composés de couches bien définies qui présentent une très forte liaison atomique dans le plan, mais liaison relativement faible entre les couches, connu sous le nom de collage van der Waals. Les couches simples peuvent être facilement séparées de la masse, ou cultivées directement sur de grandes surfaces par une variété de techniques. Ces couches ont donc une forte tendance à être d'épaisseur très homogène jusqu'à un seul atome, ont très peu de défauts, et ne se mélangent pas facilement avec d'autres matériaux - ce sont des caractéristiques clés pour une barrière de tunnel, dans lequel le courant tunnel dépend de façon exponentielle de l'épaisseur de la barrière.

Les scientifiques du LNR fluorent la couche supérieure d'une bicouche de graphène pour la découpler de la couche inférieure, de sorte qu'il sert de barrière tunnel monocouche pour l'injection de charge et de spin dans le canal de graphène inférieur. Ils déposent des contacts ohmiques (or) et ferromagnétiques en permalloy (rouge) comme indiqué sur la figure, formant une structure de valve de spin non locale. Lorsqu'un courant de polarisation est appliqué entre les deux contacts de gauche, un courant de charge polarisé en spin passe du permalloy au canal de transport du graphène, générant un courant de spin pur qui diffuse vers la droite. Ce courant de spin est détecté comme une tension sur le contact permalloy droit qui est proportionnelle au degré de polarisation du spin et à son orientation. Le caractère vectoriel du spin (par rapport au caractère scalaire de la charge) fournit des mécanismes supplémentaires pour le contrôle et la manipulation nécessaires au traitement avancé de l'information.

L'équipe du LNR a démontré l'efficacité d'injection de spin la plus élevée jamais mesurée pour le graphène (63 %), et des durées de vie de spin déterminées avec l'effet Hanle. Contrairement à la plupart des barrières tunnel d'oxyde sur le graphène, le graphène fluoré offre une efficacité de polarisation de spin tunnel beaucoup plus grande, attribué au filtrage de spin d'interface et à une plus uniforme, barrière bien contrôlée, et permet l'observation de la tension de Hanle théoriquement prédite et de la durée de vie de spin sur la tension de grille.

Ces résultats identifient une nouvelle voie vers la haute qualité, dispositifs électroniques/spintroniques au graphène de nouvelle génération, y compris des transistors à base de spin, logique, et mémoire. En outre, le processus est complètement évolutif et facilement réalisable. "Dans le futur proche, " prédit le Dr Adam Friedman, auteur principal du projet, "Nous pourrons écrire des circuits spintroniques entiers in situ sur des surfaces cultivées, de vastes zones de graphène bicouche simplement en modifiant sélectivement chimiquement la couche supérieure de graphène.