Fonctionnement à basse température et à température ambiante de la valve de spin du graphène homéoépitaxié (à gauche) et un schéma (à droite) de l'un des dispositifs de valve de spin du graphène fluoré homéoépitaxié/graphène. Des échelons distincts de la résistance apparaissent au niveau des champs coercitifs des contacts ferromagnétiques, produire des plateaux de résistance plus élevée lorsque les aimantations des contacts ferromagnétiques sont antiparallèles, comme indiqué par les flèches noires. Seule une diminution de 50 % de l'amplitude est observée de 10 K à la température ambiante. Les couches supérieures de graphène sont utilisées comme barrière tunnel. Il est hydrogéné pour le découpler de la couche inférieure de graphène, qui est le canal de transport de spin. Les contacts ferromagnétiques en permalloy (NiFe - rouge) injectent et détectent le spin dans le canal. Les contacts en or sont des contacts de référence ohmiques (Ti/Au). Crédit :Laboratoire de recherche naval des États-Unis
Les scientifiques du Laboratoire de recherche navale des États-Unis (NRL) ont créé un nouveau type de structure de dispositif de tunnel à température ambiante dans laquelle la barrière du tunnel et le canal de transport sont constitués du même matériau, graphène. De telles structures homéoépitaxiales fonctionnalisées offrent une approche élégante pour la réalisation de spintronique à base de graphène, ou spin électronique, dispositifs. Les résultats de la recherche sont rapportés dans un article publié dans la revue ACS Nano .
L'équipe du LNR montre que le graphène hydrogéné, une couche atomique unique à terminaison hydrogène d'atomes de carbone disposée en un réseau bidimensionnel en nid d'abeilles, agit comme une barrière tunnel sur une autre couche de graphène pour le transport de charge et de spin. Ils démontrent une injection tunnel polarisée en spin à travers le graphène hydrogéné, et le transport latéral, précession et détection électrique du courant de spin pur dans le canal de graphène. L'équipe rapporte en outre des valeurs de polarisation de spin plus élevées que celles trouvées en utilisant des barrières tunnel d'oxyde plus courantes, et le transport de spin à température ambiante.
Malgré près d'une décennie de recherche sur le transport de spin dans le graphène, il y a eu peu d'amélioration dans les métriques importantes telles que la durée de vie de spin et la longueur de diffusion de spin, et les valeurs rapportées restent bien inférieures à celles prédites par la théorie basée sur le faible numéro atomique du graphène et le couplage spin-orbite. Comprendre les facteurs limitatifs extrinsèques et atteindre les valeurs théoriquement prédites de ces métriques est la clé pour activer le type d'avancée, batterie faible, dispositifs spintroniques à hautes performances envisagés au-delà de la loi de Moore. Diffusion provoquée par les barrières tunnel, qui sont essentiels pour résoudre le problème de non-concordance de conductivité pour l'injection de spin électrique d'un métal ferromagnétique dans un semi-conducteur, est un sujet qui attire tout juste l'attention. Uniforme, Les barrières tunnel sans trou d'épingle/défaut sur le graphène ne sont pas facilement atteintes avec les méthodes conventionnelles qui utilisent des oxydes.
L'hydrogénation du graphène offre une méthode alternative pour réaliser une barrière tunnel homoépitaxiale sur le graphène. Contrairement aux traitements par fluoration et plasma, le procédé d'hydrogénation chimique développé par le membre de l'équipe, le Dr Keith Whitener, fournit un fonctionnalisation plus douce et plus stable avec une couverture en hydrogène beaucoup plus élevée. De plus, des études récentes, aussi par les équipes de la LNR, montrer que le graphène hydrogéné pourrait être magnétique, qui pourrait être utilisé pour contrôler la relaxation de spin dans le graphène. En raison de son couplage spin-orbite extrêmement faible, un tel contrôle a été difficile. "Ces nouveaux dispositifs homéoépitaxiaux au graphène hydrogéné résolvent de nombreux problèmes qui affligent la spintronique du graphène et, avec le fonctionnement à température ambiante et le contrôle possible avec des moments magnétiques, offrent des avantages distincts par rapport aux structures précédentes pour l'intégration avec les architectures électroniques modernes, " explique le Dr Adam Friedman, auteur principal de l'étude.
Les scientifiques du LNR utilisent le dépôt chimique en phase vapeur pour faire croître puis déposer séquentiellement un empilement de graphène à quatre couches (seulement 4 atomes d'épaisseur). Ils hydrogénent ensuite les quelques couches supérieures afin qu'elles servent de barrière tunnel 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. Lorsque les scientifiques appliquent un courant de polarisation 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 NRL a démontré une efficacité d'injection de spin plus élevée (16,5%) que la plupart des dispositifs de spin au graphène précédents, durées de vie de spin déterminées avec l'effet Hanle, et observé seulement une perte de 50 % du signal de la valve de spin de 10 K à la température ambiante (graphique de gauche).
