Hybrydowa struktura grafenowa umożliwia budowę urządzeń o niskim poborze mocy
Wykorzystująca spin elektronów jako metodę kodowania danych spintronika powinna umożliwić stworzenie szybkich, niskonapięciowych i małych urządzeń do technologii przetwarzania i zapisu informacji. Metody obliczeniowe są dynamiczną dziedziną nauki, którą można wykorzystać przy projektowaniu innowacyjnych materiałów przeznaczonych do urządzeń spintronicznych. Zastosowanie opartego na zasadach podstawowych modelowania w skali atomowej było głównym założeniem projektu GRAFIEST (Graphene-ferroelectric interface for electronic and spintronic technologies). Dzięki zdolności do przenoszenia spinów na stosunkowo długie drogi dyfuzji, grafen wydaje się idealnie nadawać do zastosowania w spintronice. Wykorzystując metody zasady podstawowej, zespół GRAFIEST dowiódł możliwości wytwarzania elektronowego pasma wzbronionego w grafenie poprzez umieszczenie go na odpowiednim podłożu. Jako doskonały przewodnik grafen nie może wykonywać operacji logicznych i przechowywać informacji bez pasma wzbronionego. W przeszłości proponowano, by urządzenia spintroniczne oprzeć na materiałach stanowiących połączenie materiałów ferroelektrycznych i magnetycznych. Jednakże ferroelektryczność i magnetyzm często wzajemnie się wykluczają lub są słabo sprzężone w większej skali. Inną metodą wytwarzania urządzeń spintronicznych miałoby być wykorzystanie wyjątkowych właściwości elektronicznych i transportowych grafenu lub nanorurek węglowych. Długa droga dyfuzji spinu często wiąże się jednak z małym sprzężeniem spinowo-orbitalnym, co ogranicza możliwości manipulowania elektronami przy pomocy przykładanego z zewnątrz pola. W oparciu o teorię funkcjonału gęstości zespół GRAFIEST wykazał, że umieszczenie grafenu na magnetoelektrycznym materiale multiferroicznym pomaga pokonać te ograniczenia w przypadku stosowania samych tych materiałów. Naukowcy stwierdzili, że prędkość dwóch typów nośników była różna, co wskazuje na istnienie transportu zależnego od spinu. Najważniejszym ustaleniem było to, że polaryzacja spinu izolacyjnego podłoża wywołuje znaczącą magnetyzację sieci węglowej. Oznacza to, że kodowanie danych w grafenowych urządzeniach spintronicznych mogłoby odbywać się bez prądu, w tym przypadku przy pomocy pola magnetycznego, co umożliwiłoby budowę komputerów o małym poborze mocy. W zależności od wzajemnego zorientowania grafenu i podłoża hybrydowy system zachowywał się jak iniektor spinu ze 100% stopniem polaryzacji spinu lub jako półprzewodnik magnetyczny. Zrozumienie iniekcji spinu i transportu spinu ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji istniejących urządzeń oraz zaprojektowania nowych architektur. W tym kontekście, odkrycia dokonane w projekcie GRAFIEST przyczyniły się walnie do rozwoju nanoelektroniki i spintroniki.
Słowa kluczowe
Grafen, tranzystory, spintronika, pasmo wzbronione, elektroniczne, magnetoelektryczne