Il grafene con struttura ibrida consente di ottenere dispositivi a bassa potenza
Sfruttando lo spin degli elettroni come metodo di codifica per i dati, la spintronica sta spianando la strada a dispositivi più piccoli ad alta velocità e bassi consumi per le tecnologie di elaborazione delle informazioni e di archiviazione dati. I metodi computazionali costituiscono una scienza in rapida crescita, la quale può essere sfruttata per la progettazione di materiali innovativi per i dispositivi spintronici. La modellizzazione di primo principio su scala atomica è stata al centro del progetto GRAFIEST (Graphene-ferroelectric interface for electronic and spintronic technologies). Grazie alle sue elevate capacità di trasporto di spin su lunghezze di diffusione relativamente lunghe, il grafene offre una grande promessa per le applicazioni di spintronica. Utilizzando metodi di primo principio, il team GRAFIEST ha dimostrato la possibilità di produrre una banda elettronica proibita nel grafene, inserendolo su un substrato adatto. Essendo un eccellente conduttore, il grafene non è in grado di eseguire operazioni logiche e archiviare informazioni, senza una banda proibita. Nel passato, i materiali che presentano accoppiamento tra ferroelettricità e magnetismo sono stati proposti come elementi fondamentali per i dispositivi spintronici. Tuttavia, ferroelettricità e magnetismo spesso risultano essere esclusivi o debolmente accoppiati, in massa. Un altro percorso per la produzione di dispositivi spintronici è stato quello di sfruttare le speciali proprietà elettroniche e di trasporto relative al grafene e ai nanotubi di carbonio. Tuttavia, una diffusione di spin su vasta lunghezza spesso comporta un piccolo accoppiamento spin-orbita, limitando la possibilità di manipolare gli elettroni tramite un campo applicato dall’esterno. Sulla base della teoria del funzionale della densità, il team GRAFIEST ha dimostrato che l’inserimento di grafene su un materiale multiferroico magnetoelettrico aiuta a superare le limitazioni presenti quando si utilizzano tali materiali individualmente. Gli scienziati hanno riscontrato che la velocità dei due tipi di trasportatori è diversa, suggerendo che sussiste un trasporto spin-dipendente. Il risultato più importante riporta che la polarizzazione di spin del substrato isolante ha indotto una significativa magnetizzazione nella rete di carbonio. I dati dei dispositivi spintronici a base di grafene potrebbero quindi essere codificati senza corrente, in questo caso da un campo magnetico, rendendo possibile il calcolo computazionale a bassa potenza. A seconda dell’orientamento relativo del grafene e del substrato utilizzato, il sistema ibrido si è comportato come iniettore di spin con un grado di polarizzazione di spin pari al 100 % o come semiconduttore magnetico. La comprensione dell’iniezione di spin e del trasporto di spin è fondamentale per ottimizzare i dispositivi attuali e per la progettazione di nuove architetture. Con questo in mente, i risultati del progetto GRAFIEST hanno fortemente contribuito ai settori nanoelettronica e spintronica.
Parole chiave
Grafene, transistor, spintronica, banda proibita, elettronica, magnetoelettrico