Grafeen lijkt veelbelovend materiaal voor spintronica

 Dat stellen onderzoekers van het Zernike Insitute for Advanced Materials van de Rijksuniversiteit Groningen op basis van metingen die ze recent hebben gedaan. Grafeen, een vorm van koolstof die slechts één atoomlaag dik is en drie jaar geleden voor het eerst werd geïsoleerd uit grafiet, lijkt daardoor een veelbelovend materiaal voor spintronica. Een publicatie over deze bevindingen staat sinds 15 juli 2007 online in Nature.

Figuur 1. Spin valve van grafeen. Een opname met een elektronenmicroscoop van de spin valve waaraan het onderzoek is gedaan. Een enkele laag grafeen ligt op een ondergrond van siliciumdioxide. Op het grafeen zijn vier elektrodes van kobalt aangebracht, die alle vier een gewenste magnetische richting gegeven kunnen worden. 

Spintronica is gebaseerd op de quantummechanische eigenschap van elektronen die spin wordt genoemd. Spin heeft geen direct analogon in onze dagelijkse wereld. Om er toch een beeld bij te hebben, kan men zich het elektron voorstellen als een draaitol, die linksom of rechtsom draait. Door deze draaiing (‘spin’) gedraagt het elektron zich als een klein magneetje, waarvan het magneetveld in twee tegenovergestelde richtingen kan wijzen (‘spin-up’ en ‘spin-down’). Spintronica maakt niet alleen gebruik van de verplaatsing van elektronen, en dus van transport van lading, maar tegelijk ook van de spin en dus de gevoeligheid van elektronen voor een magneetveld. Dit kan leiden tot kleinere, meer robuuste en snellere elektronische schakelingen en opslagmedia met veel grotere informatiedichtheden dan gewoonlijk haalbaar is. Voorwaarde is dat het te gebruiken materiaal magnetisch is of magnetisch gemaakt kan worden en dat de spin voldoende lang in de gewenste richting blijft wijzen. De spins worden gericht met een magneetveld en moeten ook na transport nog in diezelfde richting wijzen om uitgelezen te kunnen worden. Daarom is de afstand waarover spin blijft bestaan zo belangrijk.

Figuur 2. Het experiment. Een stroom tussen contact 3 en 4 brengt elektronen met een bepaalde spin in het grafeen. De elektronen verplaatsen zich door het grafeen. Vervolgens wordt het spanningsverschil tussen de contacten 1 en 2 gemeten. In c heeft de magnetisatie van de contacten dezelfde richting; er wordt een positief spanningsverschil gemeten. Is de magnetisatie van de elektroden 1 en 2 tegengesteld (zoals in d), dan wordt een negatief spanningsverschil gemeten.

Spinklep
De Groningse onderzoekers hebben een zogeheten spin valve (‘spinklep’) gemaakt met grafeen. Zo’n valve bestaat uit een niet-magnetisch materiaal dat ingeklemd zit tussen twee ferromagneten (materialen die van zichzelf magnetisch zijn). Vanuit één van de ferromagneten sturen de onderzoekers elektronen met één bepaalde spinrichting het niet-magnetische materiaal, in dit geval dus het grafeen, in. Ze worden door de ferromagneet aan de andere kant vervolgens weer gedetecteerd. Die tweede ferromagneet laat alleen de elektronen door die ook na beweging door het niet-magnetische materiaal hun oorspronkelijke spinrichting hebben behouden. In die toestand neemt de elektrische weerstand van de spin valve als geheel af. Klappen veel spins tijdens het transport door het niet-magnetische materiaal om, dan neemt de elektrische weerstand van de spin valve toe. De onderzoekers deden deze metingen bij drie verschillende temperaturen (4,2 kelvin, 77 kelvin en 300 kelvin – ofwel kamertemperatuur). Daarbij bleek het spinsignaal niet significant te veranderen, wat voor mogelijke alledaagse toepassing een veelbelovend resultaat is.

Het onderzoek is mede mogelijk gemaakt vanuit de NWO-Pionier-subsidie van Bart van Wees.

Figuur 3. De elektrische bandenstructuur van grafeen. De "elektronen"-toestanden (boven) zijn met de "gaten"-toestanden (onder) verbonden via zogenaamde Dirac-punten. In tegenstelling tot halfgeleiders kunnen daarom de elektrische ladingsdragers in grafeen continu gevarieerd worden tussen negatief geladen elektronen en positief geladen "gaten".