(57)【要約】  第１の方向に延在する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成され、第１の方向と交差する第２の方向の磁気モーメントを有する第１の電極と、第１の方向に延在する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成され、第２の方向の磁気モーメントを有する第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に配置され、アップスピンをもつ電子又はダウンスピンをもつ電子を通過させるエネルギー準位を有するチャネル領域とを有する。
2012160663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延在する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成され、第１の方向と交差する第２の方向の磁気モーメントを有する第１の電極と、
前記第１の方向に延在する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成され、前記第２の方向の磁気モーメントを有する第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、アップスピンをもつ電子又はダウンスピンをもつ電子を通過させるエネルギー準位を有するチャネル領域と
を有することを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項２】
請求項１記載のスピンフィルタにおいて、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を与えることにより、前記第１の電極及び前記第２の電極に、アップスピンをもつ電子だけが通過する第１のエネルギー領域と、ダウンスピンをもつ電子だけが通過する第２のエネルギー領域とが形成され、
前記チャネル領域は、前記第１のエネルギー領域に、アップスピンをもつ電子を許容する前記エネルギー準位を有する
ことを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項３】
請求項２記載のスピンフィルタにおいて、
前記チャネル領域に電界を印加するゲート電極を更に有し、
前記チャネル領域の前記エネルギー準位は、前記ゲート電極に印加する電圧により、前記第１のエネルギー領域に移動されている
ことを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項４】
請求項１記載のスピンフィルタにおいて、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を与えることにより、前記第１の電極及び前記第２の電極に、アップスピンをもつ電子だけが通過する第１のエネルギー領域と、ダウンスピンをもつ電子だけが通過する第２のエネルギー領域とが形成され、
前記チャネル領域は、前記第２のエネルギー領域に、ダウンスピンをもつ電子を許容する前記エネルギー準位を有する
ことを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項５】
請求項４記載のスピンフィルタにおいて、
前記チャネル領域に電界を印加するゲート電極を更に有し、
前記チャネル領域の前記エネルギー準位は、前記ゲート電極に印加する電圧により、前記第２のエネルギー領域に移動されている
ことを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項６】
請求項１記載のスピンフィルタにおいて、
前記チャネル領域に電界を印加するゲート電極を更に有し、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を与えることにより、前記第１の電極及び前記第２の電極に、アップスピンをもつ電子だけが通過する第１のエネルギー領域と、ダウンスピンをもつ電子だけが通過する第２のエネルギー領域とが形成され、
前記チャネル領域の前記エネルギー準位は、前記ゲート電極に印加する電圧により、前記第１のエネルギー領域又は前記第２のエネルギー領域に移動されている
ことを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスピンフィルタにおいて、
前記チャネル領域は、アップスピンをもつ電子及びダウンスピンをもつ電子の双方を許容する前記エネルギー準位を有する
ことを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスピンフィルタにおいて、
前記チャネル領域は、偶数列のジグザググラフェンリボンを屈曲することにより形成されている
ことを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のスピンフィルタにおいて、
前記チャネル領域は、炭素単原子により形成されている
ことを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のスピンフィルタにおいて、
前記チャネル領域は、前記第１の電極及び前記第２の電極を形成する前記ジグザググラフェンリボンよりも細いジグザググラフェンリボンにより形成されている
ことを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項１１】
スピンフィルタの駆動方法であって、
前記スピンフィルタは、第１の方向に延在する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成され、第１の方向と交差する第２の方向の磁気モーメントを有する第１の電極と、前記第１の方向に延在する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成され、前記第２の方向の磁気モーメントを有する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、アップスピンをもつ電子又はダウンスピンをもつ電子を許容するエネルギー準位を有するチャネル領域と、前記チャネル領域に電界を印加するゲート電極とを有し、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を与えることにより、前記第１の電極及び前記第２の電極に、アップスピンをもつ電子だけが通過する第１のエネルギー領域と、ダウンスピンをもつ電子だけが通過する第２のエネルギー領域とを形成し、
前記ゲート電極に印加する電圧により、前記チャネル領域の前記エネルギー準位を、前記第１のエネルギー領域又は前記第２のエネルギー領域に移動する
ことを特徴とするスピンフィルタの駆動方法。
【請求項１２】
請求項１１記載のスピンフィルタの駆動方法において、
前記チャネル領域は、アップスピンをもつ電子を許容する前記エネルギー準位を有し、
前記ゲート電極に印加する前記電圧により、前記チャネル領域の前記エネルギー準位を前記第１のエネルギー領域に移動することにより、アップスピンをもつ電子を選択的に通過させる
ことを特徴とするスピンフィルタの駆動方法。
【請求項１３】
請求項１１記載のスピンフィルタの駆動方法において、
前記チャネル領域は、ダウンスピンをもつ電子を許容する前記エネルギー準位を有し、
前記ゲート電極に印加する前記電圧により、前記チャネル領域の前記エネルギー準位を前記第２のエネルギー領域に移動することにより、ダウンスピンをもつ電子を選択的に通過させる
ことを特徴とするスピンフィルタの駆動方法。
【請求項１４】
請求項１１記載のスピンフィルタの駆動方法において、
前記チャネル領域は、アップスピンをもつ電子及びダウンスピンをもつ電子の双方を許容する前記エネルギー準位を有する
ことを特徴とするスピンフィルタの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジグザググラフェンリボンを用いたスピンフィルタ及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンを利用したＣＭＯＳ技術は微細化の限界に近づきつつあり、その寿命を延ばすためのチャネル代替材料が模索されている。その最有力候補として、カーボンナノチューブやグラフェンを代表とするナノカーボン材料が注目されており、種々の研究・開発が行われている。【０００３】
ナノカーボン材料の研究・開発を通して、スピントロニクスなどのＣＭＯＳ技術を超えた技術に繋がる新しい情報処理概念の発見がなされることが期待されている。これまでにも実際、カーボンナノチューブやグラフェンへの室温でのスピン注入や数μｍの長いスピン緩和など、スピントロニクス材料に適した種々の性質が観測されている。【０００４】
スピンフィルタは、スピン分極した電流を得るためのスピントロニクスにおける基礎デバイスと考えられている。近年、スピンフィルタとして、磁気モーメントをもつ偶数列のジグザググラフェンナノリボンを利用したスピンフィルタが提案されている。磁気モーメントをもつ偶数列のジグザググラフェンナノリボンにより２つの電極を形成し、これら電極の磁気モーメントの向きを互いに反平行にすることにより、一方の向きのスピンをもつ電子だけが伝導することのできるスピンフィルタを形成することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Taisuke Ozaki et al., "Dual spin filter effect in a zigzag graphene nanoribbon", Physical Review B 81, 074522, 2010
【非特許文献２】Chuanhong Jin et al., "Deriving carbon atomic chains from graphene", Physical Review Letters 102, 205501, 2009
【非特許文献３】Jinming Cai et al., "Atomically precise bottom-up fabrication of graphene nanoribbons", Nature, Vol. 466, July 22, 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来のスピンフィルタにおいては、２つの電極に逆向きの磁気モーメントを与えることが必要であり、製造が容易でないことが想像される。また、スピンフィルタとしての利用性を向上するためには、アップスピンをもつ電子及びダウンスピンをもつ電子のいずれかを任意に選択して伝導できることが望ましい。【０００７】
本発明の目的は、容易に製造しうるスピンフィルタを提供することにある。また、本発明の他の目的は、アップスピンをもつ電子及びダウンスピンをもつ電子のいずれかを選択して伝導しうるスピンフィルタの駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の一観点によれば、第１の方向に延在する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成され、第１の方向と交差する第２の方向の磁気モーメントを有する第１の電極と、前記第１の方向に延在する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成され、前記第２の方向の磁気モーメントを有する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、アップスピンをもつ電子又はダウンスピンをもつ電子を通過させるエネルギー準位を有するチャネル領域とを有するスピンフィルタが提供される。【０００９】
また、実施形態の他の観点によれば、スピンフィルタの駆動方法であって、前記スピンフィルタは、第１の方向に延在する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成され、第１の方向と交差する第２の方向の磁気モーメントを有する第１の電極と、前記第１の方向に延在する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成され、前記第２の方向の磁気モーメントを有する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、アップスピンをもつ電子又はダウンスピンをもつ電子を許容するエネルギー準位を有するチャネル領域と、前記チャネル領域に電界を印加するゲート電極とを有し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を与えることにより、前記第１の電極及び前記第２の電極に、アップスピンをもつ電子だけが通過する第１のエネルギー領域と、ダウンスピンをもつ電子だけが通過する第２のエネルギー領域とを形成し、前記ゲート電極に印加する電圧により、前記チャネル領域の前記エネルギー準位を、前記第１のエネルギー領域又は前記第２のエネルギー領域に移動するスピンフィルタの駆動方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
開示のスピンフィルタによれば、２つの電極を同じ方向の磁気モーメントを有する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成するので、外部磁場等によってこれら電極に容易に磁気モーメントを与えることができる。【００１１】
また、開示のスピンフィルタの駆動方法によれば、アップスピンをもつ電子及びダウンスピンをもつ電子のいずれかを選択して通過させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、一実施形態によるスピンフィルタの構造を示す斜視図である。
【図２】図２は、ジグザググラフェンナノリボンの構造を示す図である。
【図３】図３は、同じ方向の磁気モーメントを与えた偶数列のグラフェンナノリボンによりソース領域及びドレイン領域を形成した構造体を示す図である。
【図４】図４は、図３の構造体におけるスピン分極電流とバイアス電圧との関係を示す図である。
【図５】図５は、図３の構造体におけるコンダクタンスとエネルギーとの関係を示す図である。
【図６】図６は、図３の構造体のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図７】図７は、図３の構造体の動作を説明する図（その１）である。
【図８】図８は、図３の構造体の動作を説明する図（その２）である。
【図９】図９は、一実施形態によるスピンフィルタの動作を説明する図（その１）である。
【図１０】図１０は、一実施形態によるスピンフィルタの動作を説明する図（その２）である。
【図１１】図１１は、一実施形態によるスピンフィルタのチャネル領域を形成する物質の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、図１１のチャネル領域を形成する物質のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図１３】図１３は、チャネル領域を形成する物質として図１１の構造体を用いた一実施形態によるスピンフィルタにおけるスピン分極電流とバイアス電圧との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、チャネル領域を形成する物質として図１１の構造体を用いた一実施形態によるスピンフィルタの動作を説明する図（その１）である。
【図１５】図１５は、チャネル領域を形成する物質として図１１の構造体を用いた一実施形態によるスピンフィルタの動作を説明する図（その２）である。
【図１６】図１６は、一実施形態によるスピンフィルタのチャネル領域を形成する物質の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
一実施形態によるスピンフィルタ及びその製造方法について図１乃至図１６を用いて説明する。
【００１４】
はじめに、本実施形態によるスピンフィルタの構造について図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態によるスピンフィルタの構造を示す斜視図である。図２は、ジグザググラフェンナノリボンの構造を示す図である。
【００１５】
本実施形態によるスピンフィルタは、図１に示すように、第１の電極としてのソース領域１２と、第２の電極としてのドレイン領域１４と、ソース領域１２とドレイン領域１４との間に配置されたチャネル領域１６とを有している。また、チャネル領域１６から離間して隣接配置されたゲート電極１８を有している。
【００１６】
ソース領域１２及びドレイン領域１４は、互いに同じ方向の磁気モーメントをもつ偶数列のジグザググラフェンナノリボンにより形成されている。
【００１７】
ジグザググラフェンナノリボンとは、長辺端部の炭素原子がジグザグに配列された１次元状（擬１次元）のグラフェンである。例えば図２に示すように、Ｘ方向に延在する１次元状のグラフェンにおいて、端部（図中、点線で囲った領域を参照）の炭素原子がＸ方向に沿って交互にジグザグに配置されたものである（図中、太線を参照）。
【００１８】
偶数列とは、Ｘ方向に沿ってジグザグに配置された炭素原子の列が、Ｙ方向に偶数列存在することを意味する。図２に示すジグザググラフェンナノリボンは、Ｘ方向に沿ってジグザグに配置された炭素原子の列が、Ｙ方向にｎ列存在する場合を示している。偶数列のジグザググラフェンナノリボンは、ｎが偶数のグラフェンナノリボンである。ソース領域１２を形成するジグザググラフェンナノリボンにおける炭素原子の列数と、ドレイン領域１４を形成するジグザググラフェンナノリボンにおける炭素原子の列数とは、いずれも偶数列であれば、同じでも異なっていてもよい。
【００１９】
グラフェンは、ナノサイズのリボン状にすることによって通常のグラフェンとは異なる性質を発現することが知られている。このような構造のグラフェンが、グラフェンナノリボンと呼ばれている。グラフェンナノリボンの幅について特に定義はないが、例えばＹ方向の幅が１００ｎｍ程度以下のグラフェンリボンが該当する。幅１００ｎｍのグラフェンリボンの場合、Ｘ方向に沿ってジグザグに配置された炭素原子の列の数ｎが約４７０程度となる。ナノオーダーの幅を有するグラフェンリボンは、通常のグラフェンとは異なる特性を有している。
【００２０】
ソース領域１２及びドレイン領域１４のジグザググラフェンナノリボンは、グラフェンリボンの延在する方向と垂直な方向（図２のＹ方向に相当）の磁気モーメントを有している。ソース領域１２とドレイン領域１４とは、磁気モーメントの向きが同じ（平行）になるように配置される。
【００２１】
ソース領域１２及びドレイン領域１４の磁気モーメントは、ソース領域１２及びドレイン領域１４の近傍に配置された強磁性体からの外部磁場により、或いは、スピン注入などにより与えることができる。
【００２２】
チャネル領域１６は、ソース領域１２とドレイン領域１４との間に配置され、アップスピンをもつ電子だけが通過するエネルギー領域又はダウンスピンをもつ電子だけが通過するエネルギー領域にエネルギー準位を有する物質により形成されている。このような物質によりチャネル領域１６を形成することにより、アップスピンをもつ電子又はダウンスピンをもつ電子を選択的に通過させることができる。
【００２３】
チャネル領域１６を形成する物質の一例としては、例えば、ソース領域１２及びドレイン領域１４のジグザググラフェンナノリボンのフェルミ準位付近（〜１ｅＶ程度）にエネルギー準位を有する物質が挙げられる。なお、チャネル領域１６を形成する物質については、後述する動作説明のなかで詳しく説明する。
【００２４】
ゲート電極１８は、チャネル領域１６に電界を加えてチャネル領域１６のエネルギー準位を変化するためのものである。図１ではチャネル領域１６を挟むように２つのゲート電極１８を設けているが、必ずしも２つ設ける必要はなく、一方の側のみにゲート電極１８を設けるようにしてもよい。また、平面的に見てチャネル領域１６に隣接してゲート電極１８を設ける必要はなく、チャネル領域１６の上及び／又は下にゲート電極１８を配置するようにしてもよい。アップスピンをもつ電子又はダウンスピンをもつ電子のいずれか一方のみを通過させるスピンフィルタを形成する場合にあっては、必ずしもゲート電極１８は必要ではない。
【００２５】
次に、同じ方向の磁気モーメントをもつソース領域１２及びドレイン領域１４を接合したときの基本的な動作について、図３乃至図８を用いて説明する。
【００２６】
図３は、同じ方向の磁気モーメントを与えた偶数列のグラフェンナノリボンによりソース領域及びドレイン領域を形成した構造体を示す図である。図４は、図３の構造体におけるスピン分極電流とバイアス電圧との関係を示す図である。図５は、図３の構造体におけるコンダクタンスとエネルギーとの関係を示す図である。図６は、図３の構造体のエネルギーバンド構造を示す図である。図７及び図８は、図３の構造体の動作を説明する図である。
【００２７】
図３に示すように、６列のジグザググラフェンナノリボンによってソース領域１２、チャネル領域１６及びドレイン領域１４を形成し、ソース領域１２及びドレイン領域１４に同じ方向の磁気モーメントを与えた構造体を想定する。ジグザググラフェンナノリボンの端部は、水素により終端されているものとする。
【００２８】
図４は、図３に示す構造体について、ソース領域１２とドレイン領域１４との間にバイアス電圧ＶＳＤを印加したときのスピン分極電流を、第一原理に基づく非平衡グリーン関数法を用いてシミュレーションした結果を示すグラフである。また、図５は、図３に示す構造体について、コンダクタンスとエネルギーとの関係を、第一原理に基づく非平衡グリーン関数法を用いてシミュレーションした結果を示すグラフである。
【００２９】
図４に示すように、ソース領域１２とドレイン領域１４との間にバイアス電圧ＶＳＤを印加すると、ソース領域１２とドレイン領域１４との間を、アップスピンをもつ電子とダウンスピンをもつ電子の双方が伝導する。すなわち、図３に示す構造体は、スピンフィルタとしては機能しない。
【００３０】
しかしながら、各バイアス電圧ＶＳＤにおける電流値は、バイアス電圧ＶＳＤに相当するエネルギー範囲（図５の網掛け部分に相当）においてコンダクタンスを積分したものである。コンダクタンスが有限の値をもつエネルギー領域は、図５に示すように、スピンの向きによって異なっている。これは、価電子帯はリボンの幅の中心に対して反対称な電子状態（π状態）を有し、伝導帯はリボンの幅の中心に対して対称な電子状態（π＊状態）を有するという、偶数列ジグザググラフェンナノリボンに特有の電子状態に起因するものである。
【００３１】
図６は、図３に示す構造体のエネルギーバンド構造を示す図である。図６では、ソース領域１２及びドレイン領域１４を想定した２つのバンド構造を、Ｘ点を中心にして対称に描いている。
【００３２】
図中、実線はダウンスピンのπ状態のバンド構造を表し、点線はダウンスピンのπ＊状態のバンド構造を表し、一点鎖線はアップスピンのπ状態のエネルギーバンド構造を表し、二点鎖線はアップスピンのπ＊状態のエネルギーバンド構造を表している。
【００３３】
図６に示すように、図３に示す構造体のエネルギーバンドは、フェルミ準位（エネルギー＝０）近傍において交換分裂し、アップスピンバンドのエネルギーがダウンスピンバンドのエネルギーよりも低くなっている。
【００３４】
図７及び図８は、ソース領域１２とドレイン領域１４との間に０．６Ｖのバイアス電圧ＶＳＤを印加したときのエネルギーバンド構造及びコンダクタンスを示す図である。図７はアップスピンをもつ電子の状態を示し、図８はダウンスピンをもつ電子の状態を示している。なお、図７及び図８では、チャネル領域１６を省略している。
【００３５】
ソース領域１２及びドレイン領域１４がアップスピンの向きに磁気モーメントをもつ場合、図７に示すように、積分範囲（図中、網掛け部分）の高エネルギー側にアップスピンをもつ電子だけが通過するエネルギー領域（図中、領域Ａ）が現れる。また、積分範囲（図中、網掛け部分）の低エネルギー側には、図８に示すように、ダウンスピンをもつ電子だけが通過するエネルギー領域（図中、領域Ｂ）が現れる。磁気モーメントが逆向きの場合は、領域Ａを通過するスピンの向きと領域Ｂを通過するスピンの向きとの関係が上記とは逆になる。
【００３６】
次に、本実施形態によるスピンフィルタの動作について図９乃至図１６を用いて説明する。
【００３７】
図９及び図１０は、本実施形態によるスピンフィルタの動作を説明する図である。図１１は、本実施形態によるスピンフィルタのチャネル領域の一例を示す図である。図１２は、図１１のチャネル領域のエネルギーバンド構造を示す図である。図１３は、図１１のチャネル領域を用いた本実施形態によるスピンフィルタにおけるスピン分極電流とバイアス電圧との関係を示す図である。図１４及び図１５は、図１１のチャネル領域を用いた本実施形態によるスピンフィルタの動作を説明する図である。図１６は、本実施形態によるスピンフィルタのチャネル領域の他の例を示す図である。
【００３８】
本実施形態によるスピンフィルタでは、図３の構造体が有する上述のような特性を利用してアップスピンをもつ電子又はダウンスピンをもつ電子を選択的に通過させるために、チャネル領域１６を以下のような物質により形成する。
【００３９】
すなわち、本実施形態によるスピンフィルタでは、チャネル領域１６を形成する物質として、アップスピンをもつ電子だけが通過するエネルギー領域又はダウンスピンをもつ電子だけが通過するエネルギー領域のいずれか一方にエネルギー準位を有する物質により形成する。
【００４０】
例えば図９に示すように、領域Ａのエネルギー領域内にエネルギー準位Ｅｃを有し、領域Ｂのエネルギー領域内にエネルギー準位をもたない物質を用いる。この場合、ダウンスピンをもつ電子はチャネル領域１６を通過できず、アップスピンをもつ電子だけがチャネル領域１６を通過することができる。つまり、アップスピンをもつ電子だけを通過するスピンフィルタとして機能する。
【００４１】
或いは、本実施形態によるスピンフィルタでは、チャネル領域１６を形成する物質として、例えば図１０に示すように、領域Ｂのエネルギー領域内にエネルギー準位Ｅｃを有し、領域Ａのエネルギー領域内にエネルギー準位をもたない物質を用いる。この場合、アップスピンをもつ電子はチャネル領域１６を通過できず、ダウンスピンをもつ電子だけがチャネル領域１６を通過することができる。つまり、ダウンスピンをもつ電子だけを通過するスピンフィルタとして機能する。
【００４２】
このようにしてチャネル領域１６を形成する物質を変えることにより、フィルタリングするスピンの種類を変えることができる。
【００４３】
チャネル領域１６は、必ずしも磁気モーメントをもつ必要はなく、領域Ａ又は領域Ｂのいずれかのエネルギー領域内にエネルギー準位Ｅｃを有するものであれば、アップスピンとダウンスピンのエネルギー準位が縮退していてもよい。
【００４４】
チャネル領域１６を形成する物質は、必ずしも領域Ａ又は領域Ｂのいずれかのエネルギー領域内にエネルギー準位Ｅｃを有する物質である必要はない。チャネル領域１６に印加する電界により、チャネル領域１６のエネルギー準位Ｅｃを領域Ａ又は領域Ｂのいずれかのエネルギー領域内に移動することもできる。チャネル領域１６に印加する電界は、ゲート電極１８に印加するゲート電圧Ｖｇによって制御することができる。
【００４５】
また、ゲート電極１８に印加するゲート電圧Ｖｇを適宜制御することにより、アップスピンをもつ電子又はダウンスピンをもつ電子のいずれかを選択的に通過させることも可能である。
【００４６】
例えば、チャネル領域１６として、磁気モーメントをもたず、両スピンのエネルギー準位が縮退している状態の物質を想定する。ゲート電極１８に電圧を印加しないとき、チャネル領域１６のエネルギー準位Ｅｃが領域Ａのエネルギー領域内にあるものとする。
【００４７】
このような場合、ゲート電極１８にゲート電圧Ｖｇを印加しない状態では、アップスピンをもつ電子だけが通過するスピンフィルタとして機能する（図９参照）。一方、ゲート電極１８にゲート電圧Ｖｇを印加してチャネル領域１６のエネルギー準位を領域Ｂのエネルギー範囲内まで押し下げることにより、ダウンスピンをもつ電子だけが通過するスピンフィルタとして機能する（図１０参照）。
【００４８】
なお、一般的な電子デバイスの動作電圧を考慮すると、ゲート電極１８に印加する電圧Ｖｇが±１Ｖ程度であることが望ましい。
【００４９】
このように、ゲート電極１８に印加するゲート電圧により、アップスピンをもつ電子又はダウンスピンをもつ電子のいずれかを選択的に通過するスピンフィルタとなる。
【００５０】
チャネル領域１６を形成する物質は、上述の条件を満たす物質であれば、特に限定されるものではない。
【００５１】
このようなチャネル領域１６を形成する物質としては、例えば、偶数列のグラフェンナノリボンを屈曲した構造体を用いることができる。例えば図１１に示すように、ソース領域１２とドレイン領域１４との間の部分のグラフェンナノリボンを折り曲げてチャネル領域１６とすることができる。
【００５２】
図１２は、折り曲げた偶数列のグラフェンナノリボンのエネルギーバンド構造を示すグラフである。図１２（ａ）がアップスピンをもつ電子の状態を示し、図１２（ｂ）がダウンスピンをもつ電子の状態を示している。
【００５３】
図１２に示すように、偶数列のグラフェンナノリボンを屈曲した構造体は、フェルミ準位直上に、すなわち領域Ｂのエネルギー範囲内に、ダウンスピンをもつ電子だけが状態をもつエネルギー準位を有している（図１２（ｂ）の※１部分を参照）。
【００５４】
図１３は、図１１に示す構造体においてソース領域１２とドレイン領域１４との間にバイアス電圧ＶＳＤを印加したときのスピン分極電流を、第一原理に基づく非平衡グリーン関数法を用いてシミュレーションした結果を示すグラフである。
【００５５】
チャネル領域１６として偶数列のグラフェンナノリボンを屈曲した構造体は、図１３に示すように、ダウンスピンをもつ電子を通過するが、アップスピンをもつ電子を通過しない。すなわち、ダウンスピンをもつ電子だけが通過するスピンフィルタを実現できることが検証できた。これは、図１４に示すように、ダウンスピンをもつ電子のエネルギー準位Ｅｃ１が、領域Ｂのエネルギー範囲に位置しているためである。
【００５６】
また、図１２（ｂ）の※１部分に示すように近傍に複数のエネルギー準位が存在する場合、ゲート電極１８に印加する電圧によって、領域Ｂのエネルギー領域にかかるエネルギー準位の数を変えることができる。これにより、ソース領域１２とドレイン領域１４との間に流れるスピン分極電流の大きさを変化することができる。すなわち、ゲート電極１８に印加する電圧により、スピン分極電流の大きさを制御することができる。
【００５７】
また、ゲート電極１８に電圧を印加してチャネル領域１６のエネルギー準位を押し下げると、ダウンスピンの状態は領域Ｂから離れ、逆にアップスピンをもつ電子のエネルギー準位Ｅｃ２が領域Ａに入るため、アップスピンをもつ電子だけが通過するスピンフィルタを実現することができる。アップスピンをもつ電子のエネルギー準位Ｅｃ２は、例えば図１２（ａ）の※２部分のエネルギー準位が該当する。
【００５８】
或いは、例えば図１６に示すように、ソース領域１２を形成する偶数列のグラフェンナノリボンとドレイン領域１４を形成する偶数列のグラフェンナノリボンとの間を、炭素単原子又はグラフェンナノリボンの幅より幅の細いリボンのチャネル領域１６により接続するようにしてもよい。
【００５９】
単原子や細いリボンでは、２つのスピンで縮退しており、ソース領域１２及びドレイン領域１４を形成するグラフェンナノリボンのフェルミ準位近傍に現れる。
【００６０】
この場合、チャネル領域１６のエネルギー準位が領域Ｂのエネルギー範囲内となる小さいゲート電圧Ｖｇを印加することにより、ダウンスピンだけが通過するスピンフィルタを実現できる。また、チャネル領域１６のエネルギー準位が領域Ａのエネルギー範囲内となる大きいゲート電圧Ｖｇを印加することにより、アップスピンだけが通過するスピンフィルタを実現できる。
【００６１】
次に、本実施形態によるスピンフィルタの製造方法について図１を参照して説明する。
【００６２】
まず、基板１０上に、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）膜を形成し、例えば１３５０℃の温度で熱処理を行う。これにより、シリコンカーバイド膜の表面のシリコンが蒸発し、シリコンカーバイド膜の表面に１層のグラフェンシートが形成される。グラフェンシートの原子配列は、シリコンカーバイドの結晶方位を制御することにより、決定することができる。
【００６３】
或いは、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）等の触媒金属を利用したＣＶＤ法によりグラフェンシートを合成し、基板１０上に合成したグラフェンシートを転写するようにしてもよい。グラフェンシートの原子配列は、電子顕微鏡や走査顕微鏡を用いて確認することができる。
【００６４】
次いで、基板１０に形成したグラフェンシート上に、レジストを塗布し、フォトリソグラフィや電子線リソグラフィにより、ソース領域１２、ドレイン領域１４、チャネル領域１６及びゲート電極１８の形状にレジストをパターニングする。
【００６５】
次いで、このレジストをマスクとして、酸素（Ｏ２）ガスを用いた反応性イオンエッチングやアルゴン（Ａｒ）ガスを用いたミリング等によりグラフェンシートをパターニングする。こうして、偶数列のグラフェンナノリボンのソース領域１２及びドレイン領域１４、チャネル領域１６、並びにゲート電極１８を形成する。
【００６６】
次いで、必要に応じて、パターニングしたソース領域１２及びドレイン領域１４上に、チタン（Ｔｉ）膜や金（Ａｕ）膜等の金属電極を形成する。
【００６７】
次いで、ソース領域１２及びドレイン領域１４近傍に、ソース領域１２及びドレイン領域１４のグラフェンナノリボンに磁気モーメントを与える強磁性体を形成する。
【００６８】
この強磁性体は、ソース領域１２及びドレイン領域１４に直に接するようにしてもよいし、金属電極の材料自体を強磁性体としてもよい。また、強磁性体は、必ずしもソース領域１２及びドレイン領域１４に直に接している必要はなく、ソース領域１２及びドレイン領域１４から離間した場所に形成してもよい。
【００６９】
本実施形態によるスピンフィルタでは、ソース領域１２及びドレイン領域１４に与える磁気モーメントが同じ方向であるため、強磁性体の磁化方向は一方向でよい。したがって、外部磁場等を利用することにより、強磁性体を容易に磁化することができる。
【００７０】
ソース領域１２及びドレイン領域１４のグラフェンナノリボンへの磁気モーメントの付与には、スピン注入等の他の方法を用いてもよい。
【００７１】
このように、本実施形態によれば、ソース領域及びドレイン領域を、同じ方向の磁気モーメントを有する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成するので、外部磁場等によってこれら電極に容易に磁気モーメントを与えることができる。また、チャネル領域に電界を印加してチャネル領域のエネルギー準位を移動させることにより、アップスピンをもつ電子及びダウンスピンをもつ電子のいずれかを選択して通過させることができる。
【００７２】
［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００７３】
例えば、上記実施形態では、グラフェンナノリボンの延在する方向に隣接してソース領域及びドレイン領域を配置したが、ソース領域とドレイン領域は、必ずしもグラフェンナノリボンの延在する方向に隣接配置する必要はない。
【００７４】
例えば、ソース領域を形成するグラフェンナノリボンとドレイン領域を形成するグラフェンナノリボンとを平行に配置してもよい。この場合、チャネル領域は、グラフェンナノリボンの短辺から引き出すようにしてもよいし、グラフェンナノリボンの長辺から引き出すようにしてもよい。
【００７５】
また、上記実施形態では、チャネル領域が一つのエネルギー準位のみを有するように説明した部分があるが、チャネル領域は、複数のエネルギー準位を有してもよい。領域Ａのエネルギー領域にアップスピンをもつ電子を許容するエネルギー準位が存在する場合に、領域Ｂのエネルギー領域にダウンスピンをもつ電子を許容するエネルギー準位が１つも存在しなければよい。また、領域Ｂのエネルギー領域にダウンスピンをもつ電子を許容するエネルギー準位が存在する場合には、領域Ａのエネルギー領域にアップスピンをもつ電子を許容するエネルギー準位が１つも存在しなければよい。
【００７６】
また、上記実施形態ではスピンフィルタについて説明したが、同様の構造体により、スピンスイッチやスピントランジスタを形成するようにしてもよい。
【００７７】
また、上記実施形態に開示の構成材料や製造条件は、当該開示内容に限定されるものではなく、目的等に応じて適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００７８】
１０…基板
１２…ソース領域
１４…ドレイン領域
１６…チャネル領域
１８…ゲート電極
【図１】
2012160663.tif 000003
【図２】
2012160663.tif 000004
【図３】
2012160663.tif 000005
【図４】
2012160663.tif 000006
【図５】
2012160663.tif 000007
【図６】
2012160663.tif 000008
【図７】
2012160663.tif 000009
【図８】
2012160663.tif 000010
【図９】
2012160663.tif 000011
【図１０】
2012160663.tif 000012
【図１１】
2012160663.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年10月8日(2013.10.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延在する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成され、第１の方向と交差する第２の方向の磁気モーメントを有する第１の電極と、
前記第１の方向に延在する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成され、前記第２の方向の磁気モーメントを有する第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、アップスピンをもつ電子又はダウンスピンをもつ電子を通過させるエネルギー準位を有するチャネル領域と
を有することを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項２】
請求項１記載のスピンフィルタにおいて、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を与えることにより、前記第１の電極及び前記第２の電極に、アップスピンをもつ電子だけが通過する第１のエネルギー領域と、ダウンスピンをもつ電子だけが通過する第２のエネルギー領域とが形成され、
前記チャネル領域は、前記第１のエネルギー領域に、アップスピンをもつ電子を許容する前記エネルギー準位を有する
ことを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項３】
請求項２記載のスピンフィルタにおいて、
前記チャネル領域に電界を印加するゲート電極を更に有し、
前記チャネル領域の前記エネルギー準位は、前記ゲート電極に印加する電圧により、前記第１のエネルギー領域に移動されている
ことを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項４】
請求項１記載のスピンフィルタにおいて、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を与えることにより、前記第１の電極及び前記第２の電極に、アップスピンをもつ電子だけが通過する第１のエネルギー領域と、ダウンスピンをもつ電子だけが通過する第２のエネルギー領域とが形成され、
前記チャネル領域は、前記第２のエネルギー領域に、ダウンスピンをもつ電子を許容する前記エネルギー準位を有する
ことを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項５】
請求項４記載のスピンフィルタにおいて、
前記チャネル領域に電界を印加するゲート電極を更に有し、
前記チャネル領域の前記エネルギー準位は、前記ゲート電極に印加する電圧により、前記第２のエネルギー領域に移動されている
ことを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項６】
請求項１記載のスピンフィルタにおいて、
前記チャネル領域に電界を印加するゲート電極を更に有し、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を与えることにより、前記第１の電極及び前記第２の電極に、アップスピンをもつ電子だけが通過する第１のエネルギー領域と、ダウンスピンをもつ電子だけが通過する第２のエネルギー領域とが形成され、
前記チャネル領域の前記エネルギー準位は、前記ゲート電極に印加する電圧により、前記第１のエネルギー領域又は前記第２のエネルギー領域に移動されている
ことを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項７】
スピンフィルタの駆動方法であって、
前記スピンフィルタは、第１の方向に延在する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成され、第１の方向と交差する第２の方向の磁気モーメントを有する第１の電極と、前記第１の方向に延在する偶数列のジグザググラフェンリボンにより形成され、前記第２の方向の磁気モーメントを有する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、アップスピンをもつ電子又はダウンスピンをもつ電子を許容するエネルギー準位を有するチャネル領域と、前記チャネル領域に電界を印加するゲート電極とを有し、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を与えることにより、前記第１の電極及び前記第２の電極に、アップスピンをもつ電子だけが通過する第１のエネルギー領域と、ダウンスピンをもつ電子だけが通過する第２のエネルギー領域とを形成し、
前記ゲート電極に印加する電圧により、前記チャネル領域の前記エネルギー準位を、前記第１のエネルギー領域又は前記第２のエネルギー領域に移動する
ことを特徴とするスピンフィルタの駆動方法。
【請求項８】
請求項７記載のスピンフィルタの駆動方法において、
前記チャネル領域は、アップスピンをもつ電子を許容する前記エネルギー準位を有し、
前記ゲート電極に印加する前記電圧により、前記チャネル領域の前記エネルギー準位を前記第１のエネルギー領域に移動することにより、アップスピンをもつ電子を選択的に通過させる
ことを特徴とするスピンフィルタの駆動方法。
【請求項９】
請求項７記載のスピンフィルタの駆動方法において、
前記チャネル領域は、ダウンスピンをもつ電子を許容する前記エネルギー準位を有し、
前記ゲート電極に印加する前記電圧により、前記チャネル領域の前記エネルギー準位を前記第２のエネルギー領域に移動することにより、ダウンスピンをもつ電子を選択的に通過させる
ことを特徴とするスピンフィルタの駆動方法。
【請求項１０】
請求項７記載のスピンフィルタの駆動方法において、
前記チャネル領域は、アップスピンをもつ電子及びダウンスピンをもつ電子の双方を許容する前記エネルギー準位を有する
ことを特徴とするスピンフィルタの駆動方法。
【国際調査報告】
2012160663.tif 000019
2012160663.tif 000020
2012160663.tif 000021
2012160663.tif 000022