研究人员发现让石墨烯具备磁性的方法

2016-05-17 10:07:00
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        来自西班牙与埃及的研究人员表示,藉由将氢原子插入石墨烯薄片的晶格,在以磁自旋编码的纳米级磁畴中之电子数组,能把石墨烯变成替代硅的自旋电子(spintronic) 材料。

        石墨烯一直被视为硅材料的接班人,但该种材料少了一个关键成分──磁性;尽管硅的磁性在实际应用上并非重要的特性,不过预期在国际半导体技术蓝图 (ITRS)规划的2023年硅材料末日之后,信息将会是被储存在个别电子的磁自旋上(而非电荷的累积);利用磁自旋,电子能以自旋方向(上或下)来代表 0与1,这也是自旋电子的基本原理。

        现在研究人员认为,他们可以透过将氢原子插入(掺杂)石墨烯晶格特定位置的方法,来解决让石墨烯拥有磁性的问题;如果这种方法奏效,电子组件将再也 不会是相同的,因为氢只有单一个原子,使其成为可能是密度最高的自旋电子材料。藉由将氢原子分散在一个已经紧密排列的碳原子数组(即石墨烯)中,能打造出 纳米等级──甚至埃(angstrom,十分之一纳米)等级的自旋电子电路。

        西班牙nanoGUNE合作研究中心(Cooperative Research Center,CIC)教授Ivan Brihuega表示:“我们是首度发现石墨烯上吸附的单个氢原子,如何磁化其周围的石墨烯区域;相较于一般磁性材料的磁矩(magnetic moments)是被局限在几埃之内,被引发的石墨烯磁矩扩展为数纳米,并呈现原子级的调变自旋结构。”

        Brihuega 指出,“因为作用范围从埃扩展到纳米等级,自旋电子电路可能藉由他们引发的磁矩被制作出来,并与以研究团队所发现的特定规则而产生的邻近自旋电子电路单元强烈耦合──也就是磁矩的总结(sum-up)或抵消(neutralize),取决于两个邻近氢原子吸附点的相对位置。此外Brihuega补充,同样重要的是,该团队成功达成对单一氢原子的操控,因而能选择性调节选定石墨烯区域的集体磁性。”

        研究人员表示,石墨烯实际上有两个交错的次晶格,其中之一能实现短距离的磁自旋加总,另一个则会抵消相同距离的磁自旋;相同的,如果相同次晶格内的 自旋方向是相反的,就会相互吸引,反之如果相同则会相斥。研究人员也观察到在特定配置下的调变效应;而如果透过将氢原子放置在每个次晶格的高度选择性位 置,并将以上的特性一起利用,就可望打造出原子等级的自旋电子电路。

        石墨烯将因为拥有磁性而圆满

        Brihuega表示,自2004年石墨烯取得实验用途之后,世界各地的实验室都在尝试为这种拥有众多特色的纯2D材料添加磁性;主要原因是,石墨 烯是一种“先验(priori,独立于实验)”的自旋电子技术理想材料,可望藉由同时发送磁性与电子讯息来取代传统硅电子组件,并因此实现更强大的新一代 计算机,能同步进行信息的处理与储存,就像人脑一样。

        因此Brihuega的团队取得之研究成果,指明在石墨烯上自由产生磁矩的可能性,并展现那些磁矩如何能跨越远距进行沟通;这为石墨烯材料在新兴自旋电子领域的未来发展铺平了道路。而因为理论基础已经形成,接着就是将实验室的成果转化为现实世界的技术,这可能得等到ITRS预言的2023年。

        Brihuega表示,其研究团队的实验是在5度绝对温度(Kelvin,约摄氏零下268度)下进行,下一步就是要尝试找出让石墨烯能藉由吸附氢 原子磁性化的最高温度;而最困难的步骤,是如何让雌性石墨烯能应用在现实世界的自旋电子组件,不过Brihuega对此抱持乐观态度,认为要实现目标并不 会花费太长时间。

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updated: 2020-11-24 09:15:31