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2D材料為低功耗晶體管開辟了新道路

發(fā)布時間：2021-02-22

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使用石墨烯和過渡金屬二鹵化鎢復合材料對紡絲進行精細控制.png

國際團隊使用石墨烯和過渡金屬二鹵化鎢復合材料對紡絲進行精細控制

1. 引言
       隨著低功耗晶體管被壓入計算機芯片中越來越小的區(qū)域，半導體行業(yè)正努力限制設(shè)備過熱的問題。約克大學和羅馬特雷大學的研究人員現(xiàn)在認為，解決方案在于由石墨烯單層和過渡金屬二鹵化碳制成的復合材料。 他們發(fā)現(xiàn)這些材料可用于實現(xiàn)對電子自旋的精細電控制。他們認為，這項新研究發(fā)表在《物理評論快報》上，可能會引導人們偏向低能耗電子產(chǎn)品。
       約克大學物理系首席研究員艾里斯·費雷拉（Aires Ferreira）表示：“多年來，我們一直在尋找能夠有效控制電子自旋的良好導體?！薄拔覀儼l(fā)現(xiàn)，將二維石墨烯與某些半導體層狀材料配對時，可以毫不費力地實現(xiàn)這一目標。我們的計算表明，在石墨烯層上施加小電壓會引起導電自旋的凈極化。我們相信，我們的預測將吸引自旋電子學界的極大興趣?；谑┑慕Y(jié)構(gòu)的靈活，原子薄的性質(zhì)是應用的主要優(yōu)勢。此外，半導體成分的存在為與光學集成提供了可能性通信網(wǎng)絡?！?/span>
2. 旋轉(zhuǎn)
       在電子自旋的大部分對齊的材料中，會產(chǎn)生磁響應，該磁響應可用于編碼信息?！?自旋電流”（由沿相反方向流動的“向上”和“向下”自旋建立）不帶凈電荷，因此從理論上講不會產(chǎn)生熱量。因此，對自旋信息的控制將為實現(xiàn)超自旋開辟道路。節(jié)能計算機芯片。
研究人員的研究表明，當小電流通過石墨烯層時，由于TMDC基極附近產(chǎn)生的“自旋軌道”力，電子的自旋極化在平面內(nèi)。即使在室溫下，電荷到自旋的轉(zhuǎn)換也可能很高。
3. 結(jié)果
       約克物理系的博士生Manuel Offidani進行了這項研究中的大多數(shù)復雜計算。他說：“電流自旋引起的電子自旋極化是一種優(yōu)雅的相對論現(xiàn)象，出現(xiàn)在不同材料之間的界面上?！拔覀冎赃x擇石墨烯，主要是因為它具有極好的結(jié)構(gòu)和電子特性。為了增強石墨烯中電荷載流子所經(jīng)歷的相對論效應，我們研究了將其與醉近發(fā)現(xiàn)的層狀半導體相匹配的可能性?！绷_馬特雷大學自旋電子學小組的負責人羅伯托·賴蒙迪（Roberto Raimondi）表示：“用電流定向電子自旋的可能性在自旋電子學界引起了很多關(guān)注，并且通常是由于特定的對稱條件而引起的。
       “因此，這種現(xiàn)象貸表了基礎(chǔ)研究和應用研究一起進行的完美例子。在這方面，我們的計算表明，石墨烯與過渡金屬二鹵化物結(jié)合是一個理想的平臺，抽象理論原理可以立即用于說明如何實現(xiàn)實驗和技術(shù)發(fā)展?！?/span>
4. 效率
       電流引起的非磁性介質(zhì)中的自旋極化首先于2001年在半導體中得到證實，醉近在金屬異質(zhì)界面中得到證明?，F(xiàn)在，研究人員預測石墨烯在TMDC單層上也會發(fā)生類似的作用。
       令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)石墨烯中電子態(tài)的獨特特征使電荷到自旋的轉(zhuǎn)換效率高達94％。這為基于石墨烯的復合材料成為超緊湊和更綠色自旋邏輯器件的基礎(chǔ)打開了可能性。
       羅馬特雷大學自旋電子學組的前成員MircoMilletarì表示：“這項工作是基于對基本定律的理解而得出的見解，這些定律使我們能夠設(shè)想出系統(tǒng)，其中電荷到自旋轉(zhuǎn)換的效率對于技術(shù)應用而言是醉佳的。特別是急需的低能耗電子產(chǎn)品，將改善未來設(shè)備的耐用性和性能?！?/span>
       這項關(guān)于低功耗晶體管的研究由英國皇家學會和工程與物理科學研究委原會（EPSRC）資助。

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