ГРАФЕНОВЫЙ СПИНОВЫЙ ФИЛЬТР
GRAPHENE SPIN FILTER

Заявляемое изобретение относится к области наноэлектроники и спинтроники и предназначено для формирования групп поляризованных электронов с заданной ориентацией спина в устройствах твердотельной электроники, а также селекции и выделения таких электронов. Устройства, позволяющие манипулировать спин-поляризованными электронами, могут быть использованы в качестве средств обработки и передачи информации в перспективных квантовых компьютерах.
Известны устройства для формирования и фильтрации спин-ориентированных электронов, которые предполагается использовать в перспективных устройствах спинтроники.
В известном устройстве для формирования и фильтрации спин-ориентированных электронов [1], а также в ряде научных публикаций [2-3] была предложена идея графенового спинового фильтра на основе контакта графена с поверхностью ферромагнитного металла Ni(111). Устройство [1] состоит из монослоя графена с двумя ферромагнитными электродами по краям монослоя графена. Первый ферромагнитный Ni(111) электрод используется для инжекции спиновых токов в графен, а второй аналогичный электрод для выделения (приема) спиновых токов после транспорта через графеновый лист. Графен, ввиду большой длины спиновой релаксации, используется в качестве материала, в котором происходит транспорт инжектированных спиновых токов без существенных потерь до второго электрода, где происходит окончательная селекция токов с определенным направлением спина. В основе работы указанного спинового фильтра лежит следующая идея: электронная структура Ni(111) характеризуется существенно различной плотностью электронных состояний для различных направлений спина вблизи уровня Ферми. Состояния с одним направлением спина (по направлению магнитного поля) расположены ниже уровня Ферми при энергии связи ~1эВ. При этом состояния с противоположным направлением спина (по направлению против магнитного поля) располагаются в основном на уровне Ферми. Если поверх Ni(111) расположить графен и приложить соответствующее электрическое поле, то электроны, энергетически локализованные вблизи уровня Ферми, могут инжектироваться в графен. При этом инжектированные электроны будут характеризоваться преимущественно одним направлением спина, т.е. тем направлением, которое имеют электроны в Ni(111) на уровне Ферми. Если в системе имеется два Ni-электрода, то под действием приложенного между ними тянущего электрического потенциала инжектированные в графен электроны (с преимущественным направлением спина) после транспорта в графене будут достигать второго Ni-электрода. Поскольку второй Ni-электрод характеризуется аналогичной электронной спиновой структурой, то из графена в Ni электроны могут инжектироваться только в состояния, локализованные на уровне Ферми, которые характеризуются тем же направлением спина. Это может иметь место только при параллельной магнетизации Ni-электродов, но поскольку на уровне Ферми находятся только электроны с ориентацией спинов, противоположной направлению магнитного поля, то при антипараллельной магнетизации Ni-электродов на уровне Ферми во втором электроде имеются только состояния противоположной спиновой направленности. Это приведет к тому, что электроны из графена со спиновой ориентацией, задаваемой первым Ni-электродом, не смогут быть инжектированы во второй электрод, и результирующий спиновый ток в системе будет нулевым. Это означает, что при параллельной магнетизации Ni-электродов в системе существует спиновый ток, а при антипараллельной - спиновый ток должен стремится к нулю. Т.е., меняя магнетизацию второго Ni-электрода, можно переключать спиновые токи, проходящие через систему. В этом и заключается основная идея работы спинового фильтра. Графен в данной системе обеспечивает прохождение с малыми потерями инжектированного спинового тока для определенного направления спина ввиду невозможности смешивания в графене спиновых электронных состояний и большой величины спиновой релаксации, что обеспечивает малые потери в спиновой поляризации (степени поляризации) инжектированных и транспортируемых электронов. Для выполнения этих условий уникальная электронная и спиновая структура графена с линейностью дисперсионных зависимостей вблизи уровня Ферми в области точки К зоны Бриллюэна графена должна сохраняться при контакте с ферромагнитным электродом. Предположение о сохранении электронной структуры графена при контакте с Ni(111) и лежит в основе данной модели графенового спинового фильтра.
Общими с заявленным устройством признаками является то, что используется графеновый лист с двумя ферромагнитными электродами по краям листа. При этом экспериментальные исследования показали, что предположение о сохранении электронной структуры графена при контакте с Ni(111) не соответствуют действительности. В реальности при контакте графена с поверхностью Ni(111) электронная структура, характерная для графена с линейной дисперсией R состояний графена в области точки К зоны Бриллюэна, не сохраняется. В области уровня Ферми (0-2 эВ) происходит искажение и нарушение линейного характера дисперсионной зависимости R состояний графена вследствие сильной гибридизации π состояний графена с d состояниями Ni. Это приводит к тому, что на уровне Ферми нет соответствующих спин-расщепленных графеновых π состояний, куда могут быть инжектированы электроны с определенной спиновой ориентацией и в дальнейшем транспортированы с малыми потерями до второго электрода. Поэтому контакт графена с поверхностью Ni(111) не может напрямую быть использован в качестве базовой основы для устройств эффективной спиновой фильтрации. Отсюда, недостатком указанной модели графенового спинового фильтра является невозможность построения реально работающего устройства на основе только прямого контакта графена с поверхностью Ni(111).
Также известно техническое решение [4], где для создания спинового фильтра использованы металлические электроды из Pt, Au, Pd, Ag, Bi, сформированные над магнитным диэлектрическим слоем для передачи спиновой волны. Общим признаком с заявленным устройством является введение благородных металлов в состав контактного электрода. Однако использование диэлектрического слоя для транспортировки электронов приводит к существенным потерям при прохождении контакта, что существенно понижает величину спиновых токов и эффективность спиновой фильтрации.
Известен графенового спинового фильтра [5], который содержит электрод из ферромагнитного металла Со(0001), имеющего аналогичную спиновую электронную структуру валентной зоны, при этом в пространство между графеном и ферромагнитным электродом введен тонкий диэлектрический слой из окиси Mg или Al. Этот диэлектрический слой играет двойную роль: с одной стороны не позволяет разрушать электронную структуру графена при контакте с ферромагнитным электродом, а с другой стороны блокирует возвратные спиновые токи. Общими с заявляемым устройством признаками является то, что используется монослой графена с двумя ферромагнитными электродами по краям. К недостаткам известного устройства относятся большие потери спиновых токов и степени спиновой поляризации при прохождении дополнительного диэлектрического слоя.
2
3
2
4
Наиболее близким техническим решением к заявленному устройству является техническое решение [6], использующее монослой графена, два ферромагнитных электрода и два немагнитных (или ферромагнитных) электрода. Первый ферромагнитный электрод и второй немагнитный электрод расположены друг над другом и между ними находится монослой графена. Третий ферромагнитный электрод и четвертый немагнитный электрод расположены друг над другом на противоположной стороне устройства и между ними также находится монослой графена. Между первым ферромагнитным и вторым электродами пропускается электрический ток, который приводит к инжекции спиновых токов в монослой графена с последующим транспортом их к третьему ферромагнитному электроду и четвертому электроду. Между третьим ферромагнитным и четвертым электродами происходит регистрация аккумуляции спина в виде сигнала напряжения. Ферромагнитный электрод состоит из ферромагнитного слоя и диэлектрического слоя, при этом диэлектрический слой расположен между ферромагнитным слоем и монослоем графена. В качестве диэлектрического слоя используется AlO (или MgO, BN, MgAlO). В качестве ферромагнитного слоя используется Со (или сплавы Co-Fe, сплавы Ni-Fe, сплавы Ni-Fe-Co). И в качестве немагнитных электродов используется, например, Cu, Al, MG/Au, TiN, TaN, TiW или W. Общими признаками с заявленным устройством является использование монослоя графена, ферромагнитных электродов и благородных металлов в составе немагнитных электродов, введение изолирующего слоя на поверхности ферромагнитных электродов. Отличительными признаками заявленного устройства является использование в качестве изолирующего слоя буферного монослоя графена, размеры которого ограничены размерами ферромагнитного электрода, т.е. расположение слоя благородного металла в заявленном устройстве между ферромагнитным электродом и буферным монослоем графена, при этом слой благородного металла состоит из монослоя атомов золота (или Ag, Cu). Введение буферного монослоя графена в заявленном устройстве вместо диэлектрического слоя, указанного в прототипе, позволяет существенно снизить потери при прохождении контакта и понизить величину возвратных спиновых токов, а значит увеличить эффективность спиновой фильтрации. А использование благородного металла (Au, Ag, Cu) на поверхности ферромагнитного электрода позволяет сохранить уникальную электронную структуру графена, которая будет разрушена при прямом контакте с ферромагнитным электродом.
Технический результат, достигаемый предлагаемым устройством, состоит в существенном повышении степени спиновой поляризации тока спин-ориентированных электронов на выходе из устройства и уменьшении потерь спинового тока при прохождении через фильтр. Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от прототипа, включающего монослой графена с двумя ферромагнитными электродами, в заявленном техническом решении между каждым из ферромагнитных электродов и монослоем графена добавлен слой. Этот слой позволяет согласовать электронную структуру материала ферромагнитных электродов и монослоя графена с сохранением большой длины спиновой релаксации электронов, при этом уменьшаются потери инжектированного спин-поляризованного тока через контакт и уменьшаются возвратные спиновые токи в графеновом спиновом фильтре. Слой состоит из буферного монослоя графена, размеры которого ограничены размерами ферромагнитного электрода, и слоя благородного металла, состоящего из монослоя атомов золота (или Ag, Cu), расположенного между буферным монослоем графена и ферромагнитным электродом.
Сущность заявленного устройства проиллюстрирована на Фиг. 1-4. Предложенный графеновый спиновый фильтр проиллюстрирован на Фиг. 1, на которой 1 - монослой графена, 2 - буферный монослой графена, 3 - слой благородного металла, 4 - ферромагнитный электрод Ni(111) (или Со(0001)). Два ферромагнитных электрода 4 находятся под монослоем графена 1 на противоположных частях заявленного устройства. Буферный монослой графена 2 находится между каждым из ферромагнитных электродов 4 и монослоем графена 1 и ограничен размерами ферромагнитного электрода 4. Монослой атомов благородного металла (Au, Ag, Cu) 3 интеркалирован между ферромагнитным контактом 4 и буферным монослоем графена 2.
На Фиг. 2 изображена потенциальная диаграмма заявленного устройства, изображенного на Фиг. 1.
На Фиг. 3 представлена электронная энергетическая структура конуса Дирака электронных состояний графена для контакта буферного монослоя графена с различными металлами - (а) графен/Au/Ni(111), (б) - графен/Cu/Ni(111) и (в) графен/Ag/Ni(111). Показан энергетический сдвиг точки Дирака для данных систем.
На Фиг. 4 приведена сравнительная таблица особенностей электронной структуры для различных металлов (Au, Cu, Ag).
Заявленное устройство было апробировано в Санкт-Петербургском государственном университете (СПбГУ).
Конкретные примеры реализации
Пример 1.
2
1
2
1
2
2
Заявленное устройство, приведенное на Фиг. 1 с использованием монокристалла Ni(111) в качестве ферромагнитных электродов, монослоя графена, предназначенного для транспорта инжектированного спинового тока, монослоя атомов благородного металла Au (золото) и буферного монослоя графена. Введение между монослоем графена и Ni(111) монослоя атомов Au приводит к блокировке сильного ковалентного взаимодействия графена с Ni-подложкой. В результате этого электронная структура валентной зоны графена на поверхности с интеркалированными слоями благородных металлов сохраняется и становится подобной электронной структуре квазисвободного графена с линейной дисперсионной зависимостью π состояний в валентной зоне графена в области точки К зоны Бриллюэна. Таким образом, прямой контакт графена с контактом, состоящим из Ni(111) и покрытым монослоем Au(111), может быть использован в качестве металлического контакта, у которого электронная структура и физико-химические свойства графена сохраняются. При этом спиновая структура d-состояний Ni со спиновой поляризацией на уровне Ферми для системы Au/Ni(111) сохраняется, что обеспечивает инжекцию электронов из Au/Ni(111)-электрода на графеновые π состояния с определенным направлением спина, расположенные в области уровня Ферми. Также для оптимизации условий инжекции электронов из спин-поляризованных состояний электрода, составленного из Au/Ni(111), в графен, предназначенный для транспорта спиновых токов, вводится дополнительный буферный (промежуточный) монослой графена с размерами, ограниченными размерами Au/Ni(111) контакта. Это дополнительно позволяет минимизировать воздействие контактных явлений на эффективность спинового транспорта. Введение данного буферного монослоя позволяет отойти от жесткой привязки электронной структуры графена относительно уровня Ферми металла и смещать конусы электронных состояний графена (образованные пересечением ветвей π состояний графена в области точки К зоны Бриллюэна) приложенным потенциалом, обеспечивая эффективность оттока инжектированных электронов в монослой графен и минимизируя возвратные спиновые токи. Согласно энергетической потенциальной диаграмме, приведенной на Фиг. 2, электроны с определенным направлением спина (противоположным магнитному полю) инжектируются из Ni(111) d-состояний, локализованных на уровне Ферми, через монослой Au на свободные π состояния буферного монослоя графена MG. Введение монослоя Au предотвращает разрушение электронной структуры графена при контакте с ферромагнитным металлом. Под действием приложенного тянущего потенциала электроны из буферного монослоя графена инжектируются в монослой графена MG, предназначенный для транспорта инжектированных спиновых токов до второго контакта, служащего детектором спиновых токов. Роль буферного монослоя графена MG заключается в минимизации влияния контактных явлений на спиновые транспортные характеристики основного монослоя графена MG, в котором осуществляется транспорт, и обеспечении эффективности оттока инжектированных электронов приложенным потенциалом. Второй MG/Au/Ni контакт имеет аналогичные характеристики, как и первый MG/Au/Ni контакт и обеспечивает эффективное прохождение спинового тока при параллельной магнетизации ферромагнитных электродов и запирание спинового тока при их антипараллельной магнетизации.
D
На Фиг. 3 и в сравнительной таблице на Фиг. 4 показано, что точка Дирака для системы графен/Au/Ni(111) расположена вблизи уровня Ферми и сдвинута в область незаполненных состояний на ΔE ~100 мэВ. Согласно известным в литературе экспериментальным результатам, проводимость носителей заряда в графене пропорциональна плотности электронных состояний на уровне Ферми. В точке Дирака плотность состояний нулевая, однако, проводимость не равна нулю в этой точке, что позволяет успешно использовать контакт графен/Au/Ni(111) в заявленном устройстве. При этом в точке Дирака электроны обладают повышенной мобильностью и имеют большую длину свободного пробега, что позволяет уменьшить потери интенсивности спин-поляризованного тока при прохождении через контакт графен/Au/Ni(111). Кроме того, величина спин-орбитального расщепления R состояний графена при контакте с Au достигает ~100 мэВ и является много большей, чем возможно для свободного графена. Это позволяет увеличить степень спиновой поляризации в заявленном устройстве при использовании контакта буферного монослоя графена с Au.
Пример 2.
D
В качестве монослоя металла под буферным монослоем графена возможно использовать атомы металла Cu (медь). В этом случае, как показано на Фиг. 3 и в сравнительной таблице на Фиг. 4, точка Дирака для системы графен/Cu/Ni(111) будет сдвинута относительно уровня Ферми на ΔE=-310 мэВ. Сдвиг точки Дирака приводит к большей плотности состояний на уровне Ферми, а значит, и к большей проводимости электронов в графене, по сравнению с Примером 1. Согласно экспериментальным данным в литературе, проводимость носителей в графене возрастает при удалении от точки Дирака. А это означает, что контакт графен/Cu/Ni(111) позволяет достичь большей проводимости на уровне Ферми в заявленном устройстве, а соответственно и повысить эффективность работы устройства. Однако, при этом мобильность электронов на уровне Ферми и их длина свободного пробега будут существенно уступать данным параметрам в случае использования Au.
D
Пример 3. В качестве монослоя металла под буферным монослоем графена возможно использовать атомы металла Ag (серебро). Согласно Фиг. 3 и сравнительной таблице на Фиг. 4, точка Дирака для данной системы сдвинута в сторону больших энергий связи относительно уровня Ферми на величину ΔE=-560 мэВ. Это приводит к еще большему значению проводимости электронов в графене на уровне Ферми, по сравнению с Au и Cu. Однако, в случае с Au, много большая величина мобильности электронов на уровне Ферми и большая длина свободного пробега позволяют добиться уменьшения потерь спин-поляризованного тока при прохождении через устройство. Кроме того, спин-орбитальное расщепление R состояний графена при контакте с Au, как показано в таблице на Фиг. 4, приводит к повышению степени спиновой поляризации тока спин-ориентированных электронов на выходе из устройства, несмотря на меньшую проводимость носителей на уровне Ферми.
Приведенные выше примеры доказывают достижение технического результата и позволяют использовать заявленное устройство в качестве структурного элемента квантовых компьютеров, работающих с информационными потоками, кодируемыми группами спин-поляризованных электронов.
Использованные источники информации
1. Патент KR20090129298.
2. V.M. Karpan et al, Phys.Rev. В, v.78, 195419 (2008).
3. Y. Cho et al, J. Phys. Chem., v.115, 6019 (2011).
4. Патент США 8,254,163.
5. N. Tombros, et al. Nature, v.448, p.571 (2007).
6. Патент США 8,836,060.