用于自旋电子学的石墨烯

自旋电子学是在计算中使用自旋作为信息向量的科学技术。自旋电子学为大数据时代的诞生做出了贡献，其高度灵敏的硬盘读数头允许大幅扩展数据存储。磁阻RAM（MRAM）是当今自旋电子学最突出的应用，有望进一步提高集成电路的效率和性能。自旋阀，即根据自旋方向传输或阻断电流的设备，被认为是非常敏感的未来电子设备，具有将内存处理与随机、神经形态和量子技术相结合的效力，从而大大提高计算能力。

磁隧道结（MTJ）是实际实现旋转阀的有希望的候选者。这些是非常薄的设备，其中载波隧穿由载波的自旋控制。MTJ不仅对未来派存储设备很重要，而且对于研究隧穿、磁阻和自旋传递扭矩等基本效应也很有趣。原子尺度上的高质量结对于MTJ器件的技术实现至关重要。

2D材料的主要显着特征之一是能够表现出高度均匀的厚度，低至原子水平，这是通过常规物理气相沉积（PVD）生长技术沉积的普通3D材料难以实现的。在自旋阀制造方面，二维材料的最终厚度控制可能成为自旋电子学的关键资产，其中目标是具有极端控制的超薄层，特别是对于自旋极化电子隧穿。

不同的MJT结构，涉及2D材料。自旋极化电荷载流子穿过器件中间的屏障。Maëlis Piquemal-Banci et al 2017 J. Phys. D： Appl. Phys. 50 203002.在CC 3.0 许可下转载。

在过去的几年中，MTJ一直是密集开发的主题，其关键目标是高隧道磁阻（TMR）比，最近还有开关性能。然而，进一步的改进和缩小已经逐渐揭示了与氧化物阻挡层和界面的控制、热稳定性、退火容差以及器件寿命的鲁棒性有关的问题。二维材料可能为解决其中一些问题提供有希望的途径，包括逐层控制厚度、尖锐的界面、扩散屏障（热稳定性）的潜力、高垂直磁各向异性，甚至有可能实现自旋滤波等新功能。

对基于石墨烯的MTJ的期望最初是由2007年发布的计算设定的。Karpan等人预测极大的自旋极化接近100%，由此产生的TMR远远超过数百%。随后是第一个实验结果，但由于早期高质量石墨烯制造的挑战，结果有限。然而，在适当的时候，石墨烯和其他2D材料在自旋极化TMRs的成功实验实现中显示出它们的优势。

TMR与石墨烯和其他2D材料的实验结果，截至2017年。Maëlis Piquemal-Banci et al 2017 J. Phys. D： Appl. Phys. 50 203002.在CC 3.0 许可下转载。

实验表明，虽然机械剥离或转移的石墨烯可用于此类设备进行基本概念验证，但铁磁电极上的直接CVD生长是产生高TMR的更好选择。将作为自旋源的高质量（高结晶度）外延铁磁Ni（111）电极与直接生长的多层石墨烯相结合，产生最先进的基于2D的磁隧道结。

除了MTJ自旋阀的构造外，石墨烯还可用于制造自旋晶体管和自旋逻辑器件等新型器件，这些器件将构成未来自旋计算机的底层架构。

借助石墨烯的自旋电子学开发正在由石墨烯旗舰项目的自旋电子学工作包推动，石墨烯是该项目的一部分。国际研究小组非常活跃，每年发表数十篇关于石墨烯用于自旋电子学进展的科学论文。例如，一系列研究侧重于将2D材料与当今用于内存技术的磁性材料集成在一起，以提高内存的技术性能。这种集成提高了MRAM堆栈的实现。此外，还制造了室温自旋逻辑门，用于自旋通信，以及用于读取和写入数字信息的磁铁。与其他层状材料（如六方氮化硼和二硒化钨）的集成产生了前所未有的新效果，例如室温自旋电荷转换和印迹磁性。这项研究没有朝着集成、验证和大规模制造的方向发展，在通往低功耗计算设备（从嵌入式存储器到物联网应用）的道路上。