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2D材料為低功耗晶體管開辟了新道路
發布時間：2021-02-22
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國際團隊使用石墨烯和過渡金屬二鹵化鎢復合材料對紡絲進行精細控制
1. 引言隨著低功耗晶體管被壓入計算機芯片中越來越小的區域，半導體行業正努力限制設備過熱的問題。約克大學和羅馬特雷大學的研究人員現在認為，解決方案在于由石墨烯單層和過渡金屬二鹵化碳制成的復合材料。 他們發現這些材料可用于實現對電子自旋的精細電控制。他們認為，這項新研究發表在《物理評論快報》上，可能會引導人們偏向低能耗電子產品。
約克大學物理系首席研究員艾里斯·費雷拉（Aires Ferreira）表示：“多年來，我們一直在尋找能夠有效控制電子自旋的良好導體?！薄拔覀儼l現，將二維石墨烯與某些半導體層狀材料配對時，可以毫不費力地實現這一目標。我們的計算表明，在石墨烯層上施加小電壓會引起導電自旋的凈極化。我們相信，我們的預測將吸引自旋電子學界的極大興趣?；谑┑慕Y構的靈活，原子薄的性質是應用的主要優勢。此外，半導體成分的存在為與光學集成提供了可能性通信網絡?！?/span>
2. 旋轉
在電子自旋的大部分對齊的材料中，會產生磁響應，該磁響應可用于編碼信息?！?自旋電流”（由沿相反方向流動的“向上”和“向下”自旋建立）不帶凈電荷，因此從理論上講不會產生熱量。因此，對自旋信息的控制將為實現超自旋開辟道路。節能計算機芯片。
研究人員的研究表明，當小電流通過石墨烯層時，由于TMDC基極附近產生的“自旋軌道”力，電子的自旋極化在平面內。即使在室溫下，電荷到自旋的轉換也可能很高。
3. 結果
約克物理系的博士生Manuel Offidani進行了這項研究中的大多數復雜計算。他說：“電流自旋引起的電子自旋極化是一種優雅的相對論現象，出現在不同材料之間的界面上?！拔覀冎赃x擇石墨烯，主要是因為它具有極好的結構和電子特性。為了增強石墨烯中電荷載流子所經歷的相對論效應，我們研究了將其與醉近發現的層狀半導體相匹配的可能性。”羅馬特雷大學自旋電子學小組的負責人羅伯托·賴蒙迪（Roberto Raimondi）表示：“用電流定向電子自旋的可能性在自旋電子學界引起了很多關注，并且通常是由于特定的對稱條件而引起的。
“因此，這種現象貸表了基礎研究和應用研究一起進行的完美例子。在這方面，我們的計算表明，石墨烯與過渡金屬二鹵化物結合是一個理想的平臺，抽象理論原理可以立即用于說明如何實現實驗和技術發展。”
4. 效率
電流引起的非磁性介質中的自旋極化首先于2001年在半導體中得到證實，醉近在金屬異質界面中得到證明。現在，研究人員預測石墨烯在TMDC單層上也會發生類似的作用。
令人驚訝的是，他們發現石墨烯中電子態的獨特特征使電荷到自旋的轉換效率高達94％。這為基于石墨烯的復合材料成為超緊湊和更綠色自旋邏輯器件的基礎打開了可能性。
羅馬特雷大學自旋電子學組的前成員MircoMilletarì表示：“這項工作是基于對基本定律的理解而得出的見解，這些定律使我們能夠設想出系統，其中電荷到自旋轉換的效率對于技術應用而言是醉佳的。特別是急需的低能耗電子產品，將改善未來設備的耐用性和性能。”
這項關于低功耗晶體管的研究由英國皇家學會和工程與物理科學研究委原會（EPSRC）資助。
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