2D材料為低功耗晶體管開辟了新道路

發(fā)布時(shí)間：2021-02-22

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使用石墨烯和過渡金屬二鹵化鎢復(fù)合材料對紡絲進(jìn)行精細(xì)控制.png

國際團(tuán)隊(duì)使用石墨烯和過渡金屬二鹵化鎢復(fù)合材料對紡絲進(jìn)行精細(xì)控制

1. 引言
       隨著低功耗晶體管被壓入計(jì)算機(jī)芯片中越來越小的區(qū)域，半導(dǎo)體行業(yè)正努力限制設(shè)備過熱的問題。約克大學(xué)和羅馬特雷大學(xué)的研究人員現(xiàn)在認(rèn)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(fù)合材料。他們發(fā)現(xiàn)這些材料可用于實(shí)現(xiàn)對電子自旋的精細(xì)電控制。他們認(rèn)為，這項(xiàng)新研究發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上，可能會引導(dǎo)人們偏向低能耗電子產(chǎn)品。
       約克大學(xué)物理系首席研究員艾里斯·費(fèi)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(dǎo)體。”“我們發(fā)現(xiàn)，將二維石墨烯與某些半導(dǎo)體層狀材料配對時(shí)，可以毫不費(fèi)力地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。我們的計(jì)算表明，在石墨烯層上施加小電壓會引起導(dǎo)電自旋的凈極化。我們相信，我們的預(yù)測將吸引自旋電子學(xué)界的極大興趣。基于石墨烯的結(jié)構(gòu)的靈活，原子薄的性質(zhì)是應(yīng)用的主要優(yōu)勢。此外，半導(dǎo)體成分的存在為與光學(xué)集成提供了可能性通信網(wǎng)絡(luò)。”
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(yīng)，該磁響應(yīng)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(shí)現(xiàn)超自旋開辟道路。節(jié)能計(jì)算機(jī)芯片。
研究人員的研究表明，當(dāng)小電流通過石墨烯層時(shí)，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(jìn)行了這項(xiàng)研究中的大多數(shù)復(fù)雜計(jì)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。“我們之所以選擇石墨烯，主要是因?yàn)樗哂袠O好的結(jié)構(gòu)和電子特性。為了增強(qiáng)石墨烯中電荷載流子所經(jīng)歷的相對論效應(yīng)，我們研究了將其與醉近發(fā)現(xiàn)的層狀半導(dǎo)體相匹配的可能性。”羅馬特雷大學(xué)自旋電子學(xué)小組的負(fù)責(zé)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(xué)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(yīng)用研究一起進(jìn)行的完美例子。在這方面，我們的計(jì)算表明，石墨烯與過渡金屬二鹵化物結(jié)合是一個(gè)理想的平臺，抽象理論原理可以立即用于說明如何實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)發(fā)展。”
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(dǎo)體中得到證實(shí)，醉近在金屬異質(zhì)界面中得到證明。現(xiàn)在，研究人員預(yù)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(dú)特特征使電荷到自旋的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)94％。這為基于石墨烯的復(fù)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(xué)自旋電子學(xué)組的前成員MircoMilletarì表示：“這項(xiàng)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(yīng)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。”
       這項(xiàng)關(guān)于低功耗晶體管的研究由英國皇家學(xué)會和工程與物理科學(xué)研究委原會（EPSRC）資助。

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