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石墨烯与二维材料使电子器件超越“摩尔定律”!

作者:admin 发布时间:2020-07-18 17:57点击:

据英国曼彻斯特大学官网近日报道,该校与来自荷兰、新加坡、西班牙、瑞士、美国的研究人员发表了一篇新综述,概述了计算机设备开发领域的新动向,指出基于石墨烯和二维材料的自旋电子学技术,将成为新一代电子产品的基础。

在石墨烯以及相关二维材料中电子自旋输运的研究中,近期的理论和实验进展以及现象,已经成为一个引人入胜的研发领域。

自旋电子学,是电子学与磁学在纳米尺度的结合,并有望通向新一代高速电子器件。对于超越摩尔定律的纳米电子器件来说,自旋电子器件是一种可行的选择。与依赖电流的传统电子器件相比,它将提供更高的能量效率以及更低的损耗。原则上,我们可以让手机和平板电脑使用基于自旋的晶体管和存储器。

近日,英国曼彻斯特大学与来自荷兰、新加坡、西班牙、瑞士、美国的研究人员在美国物理学会出版的《现代物理学评论(Review of Modern Physics)》上发表了一篇论文,研究人员在论文中提出了关于由异质结构及其演生现象的新观点,这些现象包括近邻近实现的自旋轨道效应、自旋与光的耦合、电气可调谐性以及二维磁性。

如下图所示,二维范德瓦尔斯异质结构中新兴的自旋电子现象。鉴于石墨烯的自旋松弛长度较长,它可作为理想的自旋输运通道。在通道中心,两个磁触点用于电气注入或者检测自旋电流。通过使用石墨烯和过渡金属二卤化物的异质结构来避免对磁性接触的需求,这些异质结构可实现直接光学自旋注入(左上)和直接的电荷自旋转换(右下)。

许多人已经在笔记本电脑和个人电脑中遇到过自旋电子学,这些电脑以硬盘驱动器读磁头中的磁性传感器的形式使用了自旋电子学。这些传感器也用于汽车工业。

自旋电子学是开发电子产品的一个新方法。在这些电子器件中,存储器件(RAM)与逻辑器件(晶体管)均通过“自旋”实现,自旋是电子的基本特性,使其表现得既像微型磁体又像电子电荷。

曼彻斯特大学凝聚态物理系讲师 Ivan Vera Marun 博士表示:“石墨烯自旋电子学领域的不断进步,以及更广泛的二维异质结构,导致了使用之前无法通过石墨烯单独实现的效果,高效地创建、传输以及检测自旋信息。”

“随着继续在基础和技术方面付出努力,我们相信弹道自旋输运将在二维异质结构中实现,甚至是在室温下。这种输运使得电子波函数的量子力学特性得到实际运用,使二维材料中的自旋服务于未来量子计算方案。”

石墨烯及其他二维材料中可控的自旋输运,越来越有望应用到各种器件中。令人特别感兴趣的是定制的异质结构,也称为“范德华异质结构”,它由二维材料以精确控制的顺序堆叠而成。这篇综述描述了石墨烯电子学这一开发领域的概况,并概述了实验和理论的最新进展。

数十亿的自旋电子器件,例如传感器和存储器,已经被制造出来。每个硬盘驱动器都有一个使用自旋流的磁性传感器,而且磁性随机存储器(MRAM)芯片变得越来越受欢迎。

存储密度达128Mb的自旋转移矩-磁性随机存储器(STT-MRAM),写入速度达14纳秒。(图片来源:日本东北大学)

过去十年,石墨烯自旋电子学领域取得了令人振奋的成果,逐渐演变成范围扩大至新型二维化合物的新一代研究。

自从2014年被分离出来,石墨烯为其他二维材料打开了大门。然后,研究人员可以使用这些材料创造堆叠的二维材料,也称为“异质结构”。这些材料可以与石墨烯结合,以创造出新的“人造材料”,来实现最初仅限于科幻小说的应用。

这篇论文作者之一的 Francisco Guinea 教授表示:“在自旋电子学领域,材料中自旋的特性与操控,揭示了固体行为的许多新方面。自旋载流子运动基本性质的研究,是凝聚态物理学中最活跃的领域之一。”

“在2004年拓扑绝缘体的概念被提出之后,全世界都在集中研究识别与表征具有非凡拓扑电磁学特性的新型量子材料。自旋电子学是此类探索的核心。由于二维材料的纯洁性、强度和简单性,它们是寻找这些与量子物理学、电子学以及磁学相关的独特拓扑特征的最佳平台。”

总的来说,石墨烯以及相关二维材料中的自旋电子学领域目前正在朝着实用的石墨烯自旋电子器件发展,例如在太空通信、高速无线电链路、车载雷达、芯片间通信等领域中应用的耦合纳米振荡器。

参考资料【1】A. Avsar, H. Ochoa, F. Guinea, B. zyilmaz, B.J. van Wees, I.J. Vera-Marun. Colloquium: Spintronics in graphene and other two-dimensional materials. Reviews of Modern Physics, 2020; 92 (2) DOI: 10.1103/RevModPhys.92.021003

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