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厉害 二维材料开启超低功耗晶体管的先河

来源:新材料在线   2017-11-10  加入收藏  打印  字体【 |  | 

       挤压晶体管到计算机芯片的更小区域的同时,半导体行业正在努力改善器件过热的问题。

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       现在约克大学和罗马帝国大学的研究人员认为,解决方案在于用单层石墨烯和过渡金属二硫属元素化物(TMDC)构建的复合材料。他们发现,这些材料可以用来实现电子自旋 。

       “物理评论通讯”杂志发表的这项新研究,将来可能会引领低能耗电子产品行业。

       约克大学物理系主任研究员Aires Ferreira博士表示:“多年来,我们一直在寻找能够对电子自旋进行高效电子控制的良好导体。”

       我们发现当二维石墨烯与某些半导体分层材料配对时,可以很轻松地实现这一点。我们的计算表明,在石墨烯层上施加小的电压会导致传导自旋的净极化。

       我们相信,我们的预测将吸引大量来自自旋电子学界的兴趣。石墨烯基结构的灵活,原子级薄的性质是应用的主要优点,此外,半导体组件的存在也是一大亮点。

       电子的自旋就像一个微小的点状磁铁,只能指向两个方向---上下方向。在大部分电子自旋排列的材料中,产生磁响应,可用于编码信息。

       “自旋流”由“向上”和“向下”两个相反的方向流动,不带净电荷,因此理论上不产生加热。因此,旋转信息的控制将开启超高能效计算机芯片的道路。研究小组表示,当一个小电流通过石墨烯层时,由于靠近TMDC基底,因此会产生“自旋 - 轨道”力,从而在平面内会自旋极化。他们还表明,即使在室温下,电荷到自旋转换的效率也可以相当高。

       约克物理系博士生曼努埃尔·奥达尼(Manuel Offidani)在本次研究中进行了大部分复杂的计算。他说:“电子自旋极化的电流是一个优雅的相对论现象,出现在不同材料之间的界面。”

       我们之所以选择石墨烯,主要是因为它具有优良的结构和电子性质,为了增强石墨烯中电荷载体的相对论效应,我们研究了与最近发现的分层半导体相匹配的物质。

       罗马尼亚罗马第二大学自旋电子学组负责人Roberto Raimondi教授说:“电子自旋电流由于具有定向的可能性,所以在自旋电子学领域引起了很多关注,并且由于具体的对称性条件而普遍出现。

       在这方面,我们的计算表明石墨烯与过渡金属二硫族化合物结合是一个理想的平台,抽象的理论可以立即应用于展示实验和技术发展。

       在2001年,非磁介质中的电流诱导自旋极化首先在半导体中被证实,最近在金属异质界面中也被证明。现在研究人员预测,TMDC单层上的石墨烯会出现类似的效应。

       令人惊讶的是,他们发现石墨烯中电子状态的独特性使电荷转自旋转换效率高达94%。这就使石墨烯基复合材料成为超紧凑和更环保的自旋逻辑器件成为可能。

       Roma Tre大学自旋电子学团队前成员MircoMilletarì博士说:“这项工作遵循了对基本法律的理解,使我们能够设想系统的电荷 - 自旋转换效率对于技术应用是最佳的,尤其是对未来器件耐久性和低耗能性的电子设备。

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