Российские ученые рассчитали эффективность возникновения спиновой поляризации на графене при его контакте с модифицированными слоями дисульфида или диселенида молибдена (MoS₂/MoSe₂). Оказалось, что в таких материалах спиновая поляризация электронов составляет 15–60% в зависимости от примесей различных галогенов. Результаты работы опубликованы в журнале Nanoscale.

«Предложенные нами структуры могут представлять интерес для применения в спинтронных приборах, например в качестве элемента спинового фильтра. Устройства, работающие на принципе управления собственным моментом импульса электрона, то есть спином, будут обладать большей эффективностью передачи информации и меньшим энергопотреблением», — рассказывает руководитель проекта по гранту Российского научного фонда, сотрудник Института биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН Дмитрий Квашнин.

Спиновая электроника — активно развивающаяся область науки. В отличие от обычной электроники в спинтронике переключение между состояниями возможно при помощи генерации спинового тока электронов. При спиновой поляризации 100% все проводящие электроны в веществе имеют спины одного направления, тогда генерация спинового тока эффективна. Поляризация 0% означает равное количество электронов с противоположными спинами.

Спиновый ток очень трудно сохранить: нужно, чтобы электрон прошел наибольший путь и не изменил свой спин. Таким свойством обладают не все материалы. Например, графен не имеет спиновой поляризации, но обладает уникальным свойством — максимальной подвижностью носителей заряда среди всех известных веществ.

В своей работе ученые из ИБХФ РАН попытались получить спиновую поляризацию на графене, уложив его на дополнительный слой, обладающий спиновой поляризацией. Проблемой стал выбор материала подложки, так как большинство образует сильную связь с графеном, что приводит к изменению его структуры и уменьшению электронной проводимости. Тогда ученые использовали ван-дер-ваальсовы гетероструктуры, в которых связь с листом графена возможна только благодаря слабым ван-дер-ваальсовым силам.

Такими материалами являются, например, сульфиды и селениды переходных металлов, которые не обладают спиновой поляризацией сами по себе. Однако исследователи выяснили, что дефекты замещения в дисульфиде и диселениде молибдена (MoS₂/MoSe₂) приводят к ее появлению.

Ученые предложили материал-подложку для графена на основе дисульфидов и диселенидов молибдена с примесными атомами галогенов. Моделирование показало, что максимальная спиновая поляризация, равная 60%, достигалась в случае диселенида молибдена с примесью атомов йода, а минимальная — 15% при добавлении фтора, при использовании дисульфида показатели были меньше.