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石墨烯有望在未来的自旋电子器件应用中大放异彩

发布时间:2019-10-12 19:49:18 编辑:笔名

查尔摩斯工学院的研究人员发现石墨烯是电子长时间保持自旋,这将使处理器更迅捷并减少能源消耗。

查尔摩斯工学院的研究人员发现,大面积石墨烯能使电子自旋保持相当长的一段时间并且传播到比过去所知更远的距离。这项研究为自旋电子的发展打开了一扇门——目的是制造用于计算机的更迅捷、更高效能的存储器和处理器。

查尔摩斯工学院这个研究小组的带头人Saroj Dash表示,他们相信这些结果会在研究领域里引起巨大关注,让石墨烯成为自旋电子器件应用中的重要拼图。

自旋电子技术基于量子态的电子,这项技术已经被用于先进硬盘进行数据存储和磁性随机存取内存。但这里基于自旋的信息只需要移动几个纳米或百万分之一毫米。幸运的是,自旋是电子的特有属性,其在大多数材料中存在时间极其短暂,并且很容易受到干扰。然而,代替或者作为电荷量的补充,开发利用自旋技术作为信息的载体相比也有重大优势。自旋电子技术能明显让处理器更迅捷并减少能源消耗。

在扩展自旋电子技术在电子器件工业应用中,石墨烯是很有发展前景的。它不只是一种优秀的导体,而且在理论上,有保持电子的自旋完整的独特能力。

在未来的基于自旋的器件中,电子必须能够在旋转保持一致的情况下运动几十微米。金属,如铝或铜,都不具备这样的能力。Saroj Dash说石墨烯是目前唯一可能行的材料。

现今,石墨烯是由少数几家公司使用一些不同的方法工业生产的,全都在发展的初期阶段。你可以简单地理解高质量石墨烯只能以非常小片的形式得到,而较大的石墨烯的不是质量太低,就是从电子产业的角度上看有其他缺点。

这种说法现在受到查默斯大学小组研究结果的质疑。 他们使用化学气相沉积制备石墨烯进行实验。该方法使石墨烯有很多褶皱、粗糙的表面和其他缺陷。

但它也有优点: 在大面积石墨烯上工业规模生产上有良好的前景。CVD 石墨烯能轻松从它生长的铜箔上移除,并吊装到半导体工业的标准材料——硅晶片上。

虽然这种材料的质量还不够理想,研究小组现在可以展示的自旋参数比以前报告中类似衬底上的CVD 石墨烯高六倍。

Venkata Kamalak说:“我们的测量结果表明,自旋信号保存在石墨烯渠道达 16 微米长。自旋保持对齐的持续时间超过一纳秒。”

这项研究的前景在于它表明随着我们制备方法的改进自旋参数可以进一步优化。研究者们专注自旋电流能够传达多远不应该只认为它与在一种新型材料中发送信息有关或者用石墨烯代替金属或半导体,而是一种全新的方式执行逻辑运算和存储信息。这个概念如果成功,将使数字技术跨越对半导体的依赖。

石墨烯是良导体,没有能隙,因此在自旋电子中无需为能隙切换打开和关闭、一和零,而是由电子的自旋方向的上下来控制的。

现在短期的目标是构建一个逻辑组件,就像晶体管一样,不过由石墨烯和磁性材料构成。自旋电子技术最终能否完全可以替代半导体技术仍是一个悬而未决的问题,需要大量的研究。但是石墨烯凭借其良好的自旋传导能力极有可能大放光芒。

本文由材料人网编辑部北京组编辑整理

素材:王志杰 翻译:李丰江 校对:万清 审核:张虹雨

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