英國科學(xué)家發(fā)現石墨烯自旋編碼優(yōu)于硅芯片

具備高電子遷移率的石墨烯(graphene)一直被視為延長(cháng)摩爾定律(Moore's Law)的關(guān)鍵，而因為石墨烯的均勻性(uniformity)優(yōu)于金屬，也使其成為納米自旋電子組件(spintronic device)的最佳候選材料。英國查爾摩斯理工大學(xué)(Chalmers University of Technology)的納米制造實(shí)驗室(Nanofabrication Laboratory)表示，自旋電子組件能以個(gè)別電子自旋來(lái)編碼信息，而不是透過(guò)成千上萬(wàn)的電荷，因此組件的尺寸可望進(jìn)一步微縮、功耗也能比硅芯片來(lái)得更低。

 

目前市面有少數組件是采用自旋編碼(spin encoding)，包括一些先進(jìn)的硬盤(pán)機以及磁阻式隨機存取內存(MRAM)；但這些組件僅能將自旋編碼后的電子移動(dòng)數納米，所采用的銅與鋁等金屬的均勻度不足，無(wú)法讓電子移動(dòng)更長(cháng)的距離，限制了自旋電子組件的性能。為此查爾摩斯理工大學(xué)的目標是讓自旋編碼后的電子移動(dòng)距離拉長(cháng)到微米(micrometer)等級，好讓各種數字電路都能利用自旋電子。

 

查爾摩斯理工大學(xué)教授Saroj Dash的團隊最近利用化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)，將石墨烯沉積到銅基板上，再于室溫下轉移至絕緣上覆硅(SoI)晶圓片，成功實(shí)現了長(cháng)距離的自旋電子通訊；結果顯示自旋電子傳輸距離可擴展至16微米。

 

 

石墨烯自旋電子逆變器(inverter)改變了單一電子的自旋方向（來(lái)源：Chalmers University of Technology）
 

 

Dash的團隊成員、博士候選人Venkata Kamalakar Mutta表示："石墨烯能以三種方式取得：一是從石墨塊狀晶體以機械剝離，這也是最被廣泛使用的方式；二是磊晶方式，透過(guò)移除表層的硅原子，在碳化硅(SiC)晶圓片上長(cháng)出石墨烯，是大面積應用的適合方案；此外則是在銅箔上以化學(xué)氣相沉積石墨烯，再利用化學(xué)溶解銅，將之轉移至任何一種基板上。"他指出，在這些方法中，化學(xué)氣相沉積法是最可行的。

 

石墨烯自旋電子組件可能長(cháng)這樣…（來(lái)源：Chalmers University of Technology）
 

 

Mutta指出，他們在實(shí)驗室的設置，是在石墨烯兩端放置兩個(gè)鐵磁體(ferromagnetic)電極，完整的電路也有其他參考電極，但可能不是采用鐵磁體；其中有兩個(gè)電路，一是電流、一是電壓，相互隔離以忠實(shí)量測自旋訊號。目前Dash的團隊已經(jīng)制作了幾個(gè)簡(jiǎn)單的電路原型，下一步則是制作內存、處理器甚至更復雜的電路，并將進(jìn)一步改善能完美制作單晶石墨烯晶圓片的化學(xué)氣相沉積技術(shù)。

 

查爾摩斯理工大學(xué)教授Saroj Dash