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【你问我答】石墨烯大讲堂(14)
无论是在私人的朋友圈,还是材料类公众号平台,关于石墨烯的文章无处不在,还大有刷屏之势。不管是技术小白还是研发大咖,要是不知道石墨烯,是不是都不好意思和0朋友、同事聊天呢!

什么,你还不知道石墨烯到底是啥??!!没关系,赶紧关注环球新碳,这里开设了石墨烯大讲堂,为大家从零开始讲述生而不凡的新材料之王----石墨烯。

Duang, Duang, Duang!!! 环球新碳石墨烯大讲堂第14期闪亮登台开讲啦!这期的大讲堂主要和小伙伴们分享“石墨烯中的自旋电子学”。

电子学基于电子及其他载流子的操纵,除了电荷之外,电子还具有一个称之为自旋的属性。通过磁场和电场控制自旋,产生自旋极化电流,可携带比单独电荷更多的信息。自旋电子学(Spintronics)是一门利用电子自旋內禀自由度来实现新型信息存储和逻辑运算器件的学科。该学科研究和开发电子自旋、磁矩以及电荷的固态器件,其中一个最关键的挑战是开发具有长自旋寿命和自旋传输距离的自旋通道。

石墨烯具有非凡的电子性质,不但能传递电子讯号,更特别的是它能长距离地保持电子自旋的讯号,使得电子传输除了能有效传导电子,也能传递电子自旋讯号。石墨烯的室温自旋输运相干扩散长度长达数微米,因此有可能成为自旋电子学领域内充满希望的材料。



1 石墨烯自旋输运
石墨烯室温自旋输运(Spin transport in graphene)的研究可以追溯到2007年,由荷兰格罗宁根大学(Groningen University)物理学家、欧洲石墨烯旗舰计划科学家Bart van Wees带领的团队进行。研究成果明确证明了自旋在石墨烯中的注入和输运,尽管自旋注入效率仅10%左右。
其后的研究表明这种相对低的自旋注入效率可能是由于铁磁材料与石墨烯间的电导失配,或者其他相关效应(如界面自旋翻转散射、不均匀失相等)引起的。为了提高自旋注入效率,研究人员尝试了多种方法,如采用氧化镁薄膜作为隧道势垒;采用针孔交叉、透明连接绝缘层,使得铁磁电极与石墨烯层直接接触;使用铜等无磁性材料。测量的磁电阻最大达到130 ohms(欧姆),相应的自旋注入效率提高到60%以上。


2 使石墨烯磁化
石墨烯具有强反磁性,要在其中产生磁有序是一个重大挑战。然而,如果要将石墨烯应用于自旋电子学领域,诱导磁矩是至关重要的。通过对石墨烯进行掺杂或功能化可调节其磁性,比如利用材料六方晶体结构的缺陷或在其表面吸附原子。 氢化石墨烯是磁性石墨烯的基准。在石墨烯上吸附氢原子是可逆的,这造成晶格失衡,从而诱导磁矩。与氢原子相似,氟原子与碳键结合使得石墨烯转变为宽带隙绝缘体,且0其化学吸附可逆。
石墨烯结构中消失的一个碳原子或空位都将产生自旋极化电子,由键上剥离四个电子,其中三个形成“悬挂”状态,两个悬挂键产生磁矩,但这缺乏直接证据。

3 延长自旋寿命
最大限度地延长自旋寿命(Extending spin lifetime)是石墨烯自旋电子学应用的关键。理论预测纯石墨烯的自旋寿命在1微秒左右,而实验获得的数值在几十皮秒到几纳秒之间。石墨烯自旋寿命只有达到纳秒及以上,其自旋输运才应用于实际。理论和实际值差异两个数量级以上,这表明自旋弛豫是外源性的,可能来自杂质、缺陷或研究中的误差。
尽管已有大量的理论研究,但对于石墨烯自旋弛豫的来源仍知之甚少。有两种机制可用于解释实验趋势。基于自旋轨道耦合及动量散射解释金属及半导体自旋电子的来源。自旋轨道耦合是指电子的自旋与其运动的相互作用,自旋与由原子核周围电子轨道产生的磁场间的相互作用导致了颗粒原子能级的改变。
两种自旋弛豫机制都预测石墨烯自旋有微秒级的寿命,但实验表明最大只有几纳秒。唯一与单层和双层石墨烯实验结果相吻合的机制是基于由局域磁矩引起的共振散射。最近的研究结果表明,电子迁移率并不是限制自旋寿命的因素,石墨烯中带电粒子和杂质间的散射也不是自旋弛豫的主要影响因素。也就是说,确定自旋弛豫的主要来源对石墨烯研究人员来讲仍然是一个挑战。

4 自旋过滤效应
图3中,蓝色的镍薄层和红色的铁薄层内含有两种自旋状态(上旋和下旋)的电子。在两层金属薄膜间放置几层石墨烯,可以形成导电路径,这条路径只允许一种方向自旋的电子通过。电流通过这个金属结点后,就成为了自旋极化电流。这种层叠结构,首次实现了常温下可过滤电子自旋的薄膜类结点。
最近有石墨烯研究学者通过理论和实验相结合发现5-7-5-7线缺陷的局域态在无外加磁场下能产生室温自旋过滤效应,在施加面内磁场下能导致一个5%的正磁阻,从而提供了一种在石墨烯体系中引入自旋自由度的新途径。



自旋电子学是一个相对年轻的研究领域,但近年来在石墨烯及相关材料长自旋寿命和扩散长度方面已经取得了重大进展。研究人员认为利用自旋,石墨烯自旋转移力矩的逻辑器件(如可擦写芯片、晶体管、逻辑门、磁传感器以及用于量子计算的半导体纳米颗粒等)可用于信息处理。这些新颖的电子器件和物理性质使石墨烯自旋电子学具有广阔的应用前景。


参考文献
W. Han, R. K. Kawakami, M. Gmitra, and J. Fabian, Nat. Nanotech. 9, 794-807 (2014).
Tombros, N., Jozsa, C., Popinciuc, M., Jonkman, H. T. and van Wees, B. J., Nature 448, 571–574 (2007).
H.C. Wu, A. N. Chaika, M.C. Hsu, et al., Nat. Comm. 8, 14453, (2017).
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