科学家以石墨烯制作自旋电子元件新时代

具备高电子迁移率的石墨烯（graphene）一直被视为延长摩尔定律（Moore s Law）的关键，而因为石墨烯的均匀性（uniformity）优于金属，也使其成为纳米自旋电子元件（spintronic device）的最佳候选材料。英国查尔摩斯理工大学（Chalmers University of Technology）的纳米制造实验室（Nanofabrication Laboratory）表示，自旋电子元件能以个别电子自旋来编码资讯，而不是透过成千上万的电荷警方强行进入后，因此元件的尺寸可望进一步微缩、功耗也能比矽晶片来得更低。

目前市面有少数元件是采用自旋编码（spin encoding），包括一些先进的硬盘机以及磁阻式随机存取存储器（MRAM）；但这些元件仅能将自旋编码后的电子移动数纳米，所采用的铜与铝等金属的均匀度不足，无法让电子移动更长的距离，限制了自旋电子元件的性能。为此查尔摩斯理工大学的目标是让自旋编码后的电子移动距离拉长到微米（micrometer）等级，好让各种数位电路都能利用自旋电子。

查尔摩斯理工大学教授Saroj Dash的团队最近利用化学气相沉积（CVD）技术，将石墨烯沉积到铜基板上，再于室温下转移至绝缘上覆矽（SoI）晶圆片，成功实现了长距离的自旋电子通讯；结果显示自旋电子传输距离可扩展至16微米。

石墨烯自旋电子逆变器（inverter）改变了单一电子的自旋方向

（来源：Chalmers University of Technology）

Dash的团队成员、博士候选人Venkata Kamalakar Mutta表示： 石墨烯能以三种方式取得：一是从石墨块状晶体以机械剥离，这也是最被广泛使用的方式；二是磊晶方式，透过移除表层的矽原子，在碳化矽（SiC）晶圆片上长出石墨烯，是大面积应用的适合方案；此外则是在铜箔上以化学气相沉积石墨烯，再利用化学溶解铜，将之转移至任何一种基板上。 他指出，在这些方法中，化学气相沉积法是最可行的。

石墨烯自旋电子元件可能长这样

（来源：Chalmers University of Technology）

Mutta指出，他们在实验室的设置，是在石墨烯两端放置两个铁磁体（ferromagnetic）电极，完整的电路也有其他参考电极，但可能不是采用铁磁体；其中有两个电路，一是电流、一是电压，相互隔离以忠实量测自旋讯号。目前Dash的团队已经制作了几个简单的电路原型，下一步则是制作存储器、处理器“他对有些问题的把握比较有国际观甚至更复杂的电路，并将进一步改善能完美制作单晶石墨烯晶圆片的化学气相沉积技术。

查尔摩斯理工大学教授Saroj Dash

（来源：Chalmers University of Technology）

编译：Judith Cheng

（参考原文： Graphene Spintronics Beats All，by R. Colin Johnson）