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英國科學家以石墨烯製作自旋電子元件

具備高電子遷移率的石墨烯(graphene)一直被視為延長摩爾定律(Moore‘s Law)的關鍵,而因為石墨烯的均勻性(uniformity)優於金屬,也使其成為納米自旋電子元件(spintronic device)的最佳候選材料。英國查爾摩斯理工大學(Chalmers University of Technology)的納米製造實驗室(Nanofabrication Laboratory)表示,自旋電子元件能以個別電子自旋來編碼資訊,而不是透過成千上萬的電荷,因此元件的尺寸可望進一步微縮、功耗也能比矽晶片來得更低。

目前市麵有少數元件是采用自旋編碼(spin encoding),包括一些先進的硬盤機以及磁阻式隨機存取存儲器(MRAM);但這些元件僅能將自旋編碼後的電子移動數納米,所采用的銅與鋁等金屬的均勻度不足,無法讓電子移動更長的距離,限製了自旋電子元件的性能。為此查爾摩斯理工大學的目標是讓自旋編碼後的電子移動距離拉長到微米(micrometer)等級,好讓各種數位電路都能利用自旋電子。

石墨烯自旋電子逆變器(inverter)改變了單一電子的自旋方向

  查爾摩斯理工大學教授Saroj Dash的團隊最近利用化學氣相沉積(CVD)技術,將石墨烯沉積到銅基板上,再於室溫下轉移至絕緣上覆矽(SoI)晶圓片,成功實現了長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。

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,透過移除表層的矽原子,在碳化矽(SiC)晶圓片上長出石墨烯,是大麵積應用的適合方案;此外則是在銅箔上以化學氣相沉積石墨烯,再利用化學溶解銅,將之轉移至任何一種基板上。”他指出,在這些方法中,化學氣相沉積法是最可行的。

Mutta指出,他們在實驗室的設置,是在石墨烯兩端放置兩個鐵磁體(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;其中有兩個電路,一是電流、一是電壓,相互隔離以忠實量測自旋訊號。目前Dash的團隊已經製作了幾個簡單的電路原型,下一步則是製作存儲器、處理器甚至更複雜的電路,並將進一步改善能完美製作單晶石墨烯晶圓片的化學氣相沉積技術。

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