面向自旋逻辑器件的石墨烯自旋阀

近年来，石墨烯自旋阀的出现为自旋逻辑器件提供了极具潜力的实现方案。自旋逻辑器件使用电子的自旋而非电荷来携带和处理信息，从而可以实现更快速、更节能的计算。在石墨烯自旋阀中，一层石墨烯被夹在两个铁磁电极之间，电极的磁化方向要么平行要么反平行。当电流通过该器件时，石墨烯层中的电子自旋会受到电极磁化方向的影响。通过测量器件的电阻，可以获得关于电子自旋状态的信息。

与传统自旋阀相比，石墨烯自旋阀具有许多优势，包括更高的自旋注入效率、更快的自旋弛豫时间和更好的可扩展性等等。石墨烯自旋阀已经被证明可以在室温下运行，使它们更适合商业应用。石墨烯自旋阀在包括自旋晶体管、磁性随机访问存储器（MRAM）和基于自旋的逻辑电路等下一代计算器件中具有广阔的应用前景。因此，学术界和产业界需要进一步的研究来优化石墨烯自旋阀的性能，以实现自旋逻辑器件的实际应用。

鉴于此，来自韩国成均馆大学的Chandan Biswas教授和Young Hee Lee教授共同领导的研究团队在Advanced Materials上以Graphene spin valve for spin logic devices为题发表综述文章，探讨了石墨烯 自旋阀 的进展及其在自旋逻辑器件开发中的作用。 文章讨论了电荷和自旋的不同传输和散射机制，比较了石墨烯 SV 和基于电荷的FET 之间的开/关开关能量，并概述了自旋逻辑器件未来发展需要解决的挑战和前景。

图1自旋阀器件的分类。
图源：Advanced Materials (2023).

正如摩尔定律所预测的那样，晶体管尺寸的不断缩小一直推动着半导体行业的发展，以实现更快的操作速度和更高的晶体管密度。多年来晶体管尺寸的不断缩小导致了通道长度的缩短和功耗的降低。然而，当晶体管尺寸缩小到一定极限（3纳米），亚阈值摆幅（SS）和关闭状态下的源漏电荷隧穿将会对器件性能产生不利影响。亚阈值摆幅和关闭状态下的电荷隧穿会提高器件的功耗。

目前，每个芯片上估计有十亿个晶体管，其静态和动态功耗将会非常高，可能导致设备无法正常工作。为了克服这些问题，超过尺寸极限的低功耗替代方案诞生了，这就是自旋电子学领域。

巨磁电阻（GMR）已经被应用于自旋电子学器件，如自旋阀（SV）和磁隧道结（MTJ）。在存储器件中，SV和MTJ使硬盘驱动器的存储密度达到了很高的水平。此外，基于自旋的非易失性存储器也有更快速和低功耗的操作。该领域进一步发展，包括自旋转移扭矩（STT）和自旋轨道扭矩（SOT）等多种现象，这对于非易失性存储器技术的写入操作（更快的速度和低电流）具有重要意义。此外，二维材料引发了许多革命性的下一代器件的发展，利用它们独特的性质，如MTJ和自旋隧道场效应晶体管中的自旋过滤和电性可切换磁序。

半导体较短的自旋扩散长度限制了它们在自旋场效应晶体管中的应用。而石墨烯在室温下由于其弱自旋–轨道耦合(SOC)提供了非常长的自旋扩散长度。能够在长距离上传输纯自旋电流显著降低了石墨烯自旋器件中的焦耳加热损失。此外，石墨烯表现出高迁移率和杰出的可扩展性，可缩放至单层厚度，因此成为自旋电子学的理想选择。随着自旋输运在石墨烯中的研究逐渐成熟，一种称为横向自旋阀的不同自旋阀结构已被开发出来。

这种基于自旋的非易失性存储器和自旋操纵技术的出现，将会促进可以克服冯·诺依曼瓶颈的内存逻辑架构。而在石墨烯中内置内存的自旋逻辑将在计算速度、功率、可扩展性和性能方面具有巨大优势。

这篇综述分析了石墨烯自旋逻辑器件的挑战和机遇，提供了电荷和自旋动力学的基本讨论，揭示了石墨烯自旋通道中自旋传输和散射的性质。文章对石墨烯横向自旋阀的工作原理以及石墨烯通道中的自旋注入、传输和散射进行了详细讨论，并回顾了基于自旋逻辑应用的石墨烯自旋阀的进展。 最后，文章还概述了石墨烯自旋逻辑器件未来发展需要解决的挑战。

图2电荷和自旋的输运性质。
图源：Advanced Materials (2023).

自旋电流可分为两类，即自旋极化电流和纯自旋电流。

自旋极化电流涉及电子流，它们的自旋方向相同。在石墨烯自旋阀中，将电荷电流注入到一个铁磁（FM）电极中以产生自旋极化电流。

纯自旋电流（是没有净电荷流动的角动量流动。自旋电流可以通过自旋波或导电电子的流动产生。石墨烯自旋阀中的自旋电流源于石墨烯通道中自旋上和自旋下的扩散。由于其较长的自旋扩散长度、自旋弛豫时间和较高的自旋信号强度，与半导体相比，石墨烯被认为是自旋传输的自然选择。

逻辑设备的实际实现在计算中的显著依赖于低功耗和在开/关状态之间切换的开关能量。逻辑功能对于任何计算任务都是必不可少的，无论是针对感知（人工智能、机器学习）的内存计算还是基于推理的逻辑计算。

内存计算体系结构包括在单个设备中进行计算和数据存储，这有助于减少由于数据在存储器和计算单元之间移动而产生的功耗。然而，减少设备总能量消耗的全面方法需要仔细研究单个晶体管的能量消耗。基于电荷的晶体管（如FET、T-FET、NC-FET、DS-FET等）需要高切换能量来在开/关状态之间切换设备。

另一种选择是采用一种基于自旋而不是电荷的激进方法作为设备操作的状态变量。基于石墨烯的自旋FET和自旋逻辑设备提供低开关能量和焦耳热损失，利用自旋进行设备操作。

在基于石墨烯的自旋器件中使用磁性电极赋予了非挥发性特性，同时承诺设备可扩展性。石墨烯自旋逻辑器件的非挥发性特性使它们对计算和存储都很有用。石墨烯自旋FET和自旋逻辑器件的出现显示出可扩展的基于自旋的计算体系结构，例如神经形态计算中的内存逻辑和自旋逻辑计算，具有较低的能量消耗和更快的数据访问时间。石墨烯自旋器件的最新发展是超越CMOS器件的一个里程碑。

图3石墨烯层间自旋阀的工作原理。
图源：Advanced Materials (2023).

不过，文章认为，尽管目前该领域的发展状况令人鼓舞，但面向实际应用仍有以下几个方面需要改进。

首先，石墨烯自旋装置仍然依赖于外部磁场来切换输入和输出电极。 这直接关系到运行速度、可扩展性和功耗。 一种更实用的方法是使用自旋转移力矩和自旋轨道力矩进行切换，从而确保更快的切换速度、更低的功耗和向低维度的无缝可扩展性。

第二，级联多功能自旋逻辑器件的实验证明是石墨烯自旋电子学发展的重要一步。下一个挑战在于其对自旋设备的实施。 需要考虑级联逻辑门以构建更大的逻辑电路。 需要设计具有扇出功能的新型器件架构以实现最佳级联。为了实现高效级联，需要在自旋器件中使用相似的输入和输出变量，以避免由于重复的自旋到电荷转换而造成的功率损耗。

第三，使用石墨烯自旋电子学替代CMOS器件的一个主要缺点是它的低输出信号，即低开/关比。 为了改善输出信号，需要解决注射器处的自旋注入和自旋通道中的自旋弛豫问题。 为了有效的自旋注入，需要探索具有高自旋极化的 FM 电极，例如半金属化合物和无缺陷隧道势垒。目前的自旋弛豫时间为 12 ns，而理论预测为几微秒。未来学术界仍然需要通过确定自旋弛豫的实际机制来解决理论值和实验值之间的差异。

文章最后指出，自旋输运已经在石墨烯领域掀起了最近的自旋物理学浪潮。 其低功耗的前景激发了多种自旋器件的想法。多年来的学术界研究工作导致石墨烯自旋阀取得诸多突破性进展，包括开/关状态和自旋极化的电场控制等等。现在，可重构自旋多数逻辑门的开发是石墨烯自旋电子学的又一重要里程碑，它对降低电路复杂性的基于自旋的计算具有重要意义。

未来，可重构自旋多数逻辑门可以通过促进内存中的逻辑应用程序，进一步为超越冯诺依曼计算架构铺平道路。 尽管仍有一些挑战需要克服，但石墨烯已经展现出了超越CMOS 器件的巨大潜力，为下一代自旋逻辑器件的实现提供了重要的材料基础。

参考文献：

Pramod Ghising, Chandan Biswas and Young Hee Lee. Graphene spin valve for spin logic devices. Advanced Materials (2023).

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202209137