石墨烯自旋电子器件或将为摩尔定律续命

　　石墨烯作为一种潜在的硅替代材料一直备受瞩目。石墨烯拥有极高的电子迁移率，也拥有优于金属的均匀性，所以在作为纳米尺度的自旋电子器件的候选材料上，简直堪称完美。自旋电子器件通过单个电子的自旋状态编码信息，这和传统的上千个电荷的编码存在很大的差别，至少所使用的电子数大大减少；与此同时，自然也大大减小了器件的尺寸和功耗。

　　现在事实上已经有一些器件在使用自旋编码了，其中包括一些先进的硬盘驱动器和磁性随机存取存储器（MRAM），但这些器件只能移动自旋编码的电子几个纳米。不幸的是，铜和铝的均匀性并不好，不能长时间运行自旋编码，从而限制了自旋电子的性能。查尔姆斯理工大学（英国分校）纳米加工实验室的目标是将自旋电子移动的距离扩展至毫米级，从而使得所有的数字电路都可以使用自旋电子编码。

　　据报道，Saroj Dash教授和他的团队最近在有线长程自旋电子通信上取得了成功，他们在室温下将通过化学气象沉积沉积在铜上的石墨烯中的自旋电子传输到绝缘硅（SOI）晶片上。表征表明自旋电子的传输距离达到了16毫米，电子寿命为1.2纳秒，另外还有6毫米的自旋扩散长度（在该尺度内，自旋子之间的磁化可以同时自发交换）；16毫米！达到了其它报道了的基于石墨烯的自旋电子的最远传输距离的6倍。

　　

　　石墨烯自旋电子变换器改变单个电子的自旋方向。

　　石墨烯可以通过三种方式来获得：从石墨块状晶体上剥离（这种方法使用最广泛），外延法制备石墨烯（这种方法是通过在SiC晶圆表面移除硅原子来制成的，这种方法有大规模应用的潜力）和化学气相沉积（这种方法可以在任何表面制备石墨烯）。该团队中的在读博士生Venkata Kamalakar Mutta说：“在这些不同的方法中，化学气相沉积是最可行的一种，我们可以使用该方法轻松地在任何表面制备石墨烯。剥离法制备的石墨烯只限于制备小薄片型的石墨烯，而外延生长只有在较大的SiC基板上才好用，而且还不适合在不同板材之间进行转移。”

　　

　　封装好的自旋电子器件，使用自旋电子而不是电荷来存储信息。

　　其它的类似研究团队也在使用化学气相沉积，其中包括德州仪器，但几乎还没有团队能取得查尔姆斯理工大学这个团队这样的成功。到目前为止，Dash的团队还只是对他们的石墨烯的性能表现进行了一些表征，并且还制造了一些小器件来证明这一概念。

　　Mutta说：“我的实验装置由两个放置在石墨烯上面的铁磁电极构成，其中一个是喷射器，另一个是检测器。其它用于完成电路的电极则作为参考电极，而参考电极则可能不是铁磁性的。其中包含两个电路，即电流电路和电压电路。这两个电路之间是彼此隔离的，以取得忠实可信的自旋信号。”

　　

　　Saroj Dash教授

　　到目前为止，该研究团队已经试制出了几个简单的电路，但他们的下一步是要制造存储器、处理器和其它更为复杂的电路，并且还有完善化学气相沉积的方法，以得到完美的单晶石墨烯晶圆。

　　“下一步，我未来的目标是使用现有的化学气相沉积石墨烯来得到自旋逻辑和存储电路。”Mutta说，“我们要面临的另一个挑战是使用单晶化学气相沉积石墨烯来进一步完善它，因为单晶的自旋散射更少，而且没有晶界。”

　　如果该团队最终如愿以偿地取得了成功，他们的成果将可能赋予摇摇欲坠的摩尔定律新的生机，据国际半导体技术蓝图（ITRS）称，摩尔定律将在2018年左右达到终点。