До недавнего времени ученые акцентировали свое внимание на использовании плоского графена в качестве полупроводника или проводника, в котором ток течет в плоскости материала. Но последние работы ученых из США показывают, что графен может сослужить свою службу и при расположении в перпендикулярном направлении. В этой ситуации он является отличным туннельным барьером, в котором сохраняется спиновая поляризация электронов. Таким образом, открытие может иметь важное значение для спинтроники – относительно нового направления, использующего не только заряд электрона, но и его спин.

Спин электрона может быть направлен в два противоположных направления, и это свойство используется в спинтронных устройствах для хранения и обработки информации. Схемы использования спинового тока (представляющего собой два потока электронов с противоположными спинами, движущихся в противоположном направлении) могут быть компактнее и эффективнее обычных электронных схем, которые полагаются только на включение и выключение потока зарядов, поскольку изменить направление спина можно с помощью сравнительно малой энергии.

Рис. 1. Схематическое изображение предложенной конструкции.

Спинтронные устройства, как правило, создаются из ферромагнитных материалов и полупроводников. Это связано с тем, что ферромагнитные материалы, такие как железо, по своей природе имеют спин-поляризованные электроны, причем, число электронов с противоположно направленным спином отличается. Это позволяет создать идеальные условия для перехода электронов в полупроводник. Однако ферромагнетики и полупроводники сильно отличаются по проводимости, поэтому необходим туннельный барьер (изолирующий барьер между двумя проводящими материалами, через который электроны могут туннелировать, благодаря квантово-механическим свойствам), который обеспечит транспорт зарядов.

Проблема заключается в том, что

обычно используемый в таких случаях оксидный барьер вводит в систему дефекты, кроме того, он имеет большое сопротивление.

Оба эти фактора отрицательно влияют на производительность результирующего устройства. Чтобы преодолеть эту проблему, группа ученых из US Naval Research Laboratory (США) предложила использовать в качестве туннельного барьера однослойный графен.

Графен представляет собой плоский материал, в котором атомы углерода образуют двухмерную кристаллическую решетку. Данный материал отличается химической устойчивостью, а также устойчивостью к образованию дефектов, влияющих на производительность спинтронных устройств. Эти свойства были задействованы, чтобы создать контакт с низким сопротивлением между ферромагнитным материалом и полупроводником.

Свои эксперименты ученые начали с механического переноса графена, полученного с помощью химического осаждения из парообразного состояния, на хроматированную поверхность кремния. Для этого применялся широко распространенный способ, исключающий появление оксидной пленки между кремнием и графеном. После этого был замерен спиновый ток из ферромагнетика в кремний, проходящий через графеновый туннельный барьер.

Эксперименты показали эффективность предложенной методики.

Сами ученые считают, что

их открытие преодолевает важное препятствие, стоявшее на пути развития спинтронных устройств, отличающихся малыми размерами и высокой скоростью работы.

Подробные результаты их работы опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.