石墨烯自旋电子学：从科学到技术

石墨烯晶格电子自旋示意图

　　图片来源：Image copyright 2015 Bart van Wees

　　电子学基于电子及其他载流子的操纵，除了电荷之外，电子还具有一个称之为自旋的属性。通过磁场和电场控制自旋，产生自旋极化电流，可携带比单独电荷更多的信息。自旋输运电子学，或称为自旋电子学是欧洲石墨烯旗舰计划研究的主题。

　　自旋电子学研究和开发电子自旋、磁矩以及电荷的固态器件。一些人认为这个课题很深奥，挑战了量子物理和化学基础，但人们曾以为这与当今主流的电子学是相同的。现实是，自旋电子学是应用科学与工程的一个成熟领域，，也是一门迷人的纯科学。

　　电子自旋与量子逻辑(Electron spin and quantum logic)

　　值得注意的是，在石墨烯自旋电子学研究之前，自旋电子学已经是数字电子技术方面的一个关键领域，即数据存储。

　　自旋可看作是绕自身轴线旋转的电子，具有内在角动量，可从上或下两个方向检测到磁场。结合这些磁取向和二进制逻辑的开/关电流状态，可获得一个四状态系统，两个磁取向形成一个量子比特(quantum bit, or qubit)

　　计算机技术方面，相比于两状态，四状态具有更高的数据传输速度，提高处理能力和存储密度，增加存储容量。电子自旋为存储及操纵信息提供一个额外自由度。

　　现代磁硬盘的读取头采用与自旋相关的巨磁阻(Giant Magnetoresistance，GMR)和隧道磁阻(Tunnel Magnetoresistance，TMR)效应。GMR器件由分隔开的两层以上铁磁材料组成。当磁性层磁化矢量平行时，电阻更低。这种装置称之为自旋阀。对于TMR，电子输运由粒子穿过绝缘的分离的铁磁层的量子力学隧道产生。

　　在这两种情况下，磁场传感器可读取硬盘上磁编码的数据。磁阻式随机存取存储器(Magnetoresistive Random Access Memory)和赛道存储器(racetrack memory)这两种计算机内存都利用了电子自旋。

　　石墨烯自旋输运(Spin transport in graphene)

　　石墨烯是石墨的单层原子结构，其室温自旋输运相干扩散长度长达数微米，是自旋电子学应用的理想材料。石墨烯还具有高电子迁移率、可调载流子浓度等性质。

　　石墨烯室温自旋输运的研究可以追溯到2007年，由荷兰格罗宁根大学(Groningen University)物理学家、欧洲石墨烯旗舰计划科学家Bart van Wees带领的团队进行。去年发表于《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上的一篇文章表述了自旋输运的首次实际演示的讨论，以及石墨烯自旋电子学理论和实践的详细技术综述。雷根斯堡旗舰科学家(Regensburg-based flagship scientist)Jaroslav Fabian是该综述的作者之一。

　　van Wees课题组的实验及随后的研究表明，10%左右这种相对低的自旋注入效率可能是由于铁磁材料与石墨烯间的电导失配，或者其他相关效应引起的。采用氧化镁薄膜作为隧道势垒可获得了相对高得多的效率。

　　还使用了其他的方法，一种方法是采用针孔交叉、透明连接绝缘层，使得铁磁电极与石墨烯层直接接触，还有一种方法是使用铜等无磁性材料。隧穿绝缘层的情况下，测量的磁电阻最大达到130 ohms(欧姆)，相应的自旋注入效率达到60%以上。

　　从小尺度的自旋输运研究到大面积石墨烯的研究，是石墨烯自旋电子学应用于集成电路晶片的关键一步。重点在于悬浮石墨烯层的自旋输运以及沉积于六方氮化硼(hexagonal boron nitride，hBN)基底的石墨烯。随着技术的发展，获得了更长的自旋长度及寿命，后续文章将讨论石墨烯-hBN异质结的实例。

　　使石墨烯磁化(Making graphene magnetic)

　　要在强反磁性的石墨烯中产生磁有序是一个重大挑战。然而，如果要将石墨烯应用于自旋电子学领域，诱导磁矩是至关重要的。希望通过对石墨烯进行掺杂或功能化可获得可调的磁性。这可通过材料六方晶体结构的缺陷或在其表面吸附原子来实现。

　　氢化石墨烯是磁性石墨烯的基准，氢原子可逆的化学吸附在石墨烯上。这造成晶格失衡，从而诱导磁矩。另一种是氟原子，与碳键合使得石墨烯转变为宽带隙绝缘体。与氢原子相似，氟原子可逆的化学吸附在石墨烯上。

　　“石墨烯是自旋电子学中很有前途的材料，其自旋特性不仅能调节，甚至可通过与原子或其他2D材料结合进行定制。”Fabian说，“一旦确定合适的材料，将开启具体的技术应用之路。这也是完美旗舰计划正在研究的。”

　　石墨烯结构中消失的一个碳原子或空位都将产生自旋极化电子，由键上剥离四个电子，其中三个形成“悬挂”状态。两个悬挂键产生磁矩，但缺乏预言的π-magnetism的直接证据。

　　延长自旋寿命(Extending spin lifetime)

　　最大限度的延长自旋寿命是石墨烯自旋电子学应用的关键。理论预测纯石墨烯的自旋寿命在1微秒左右，而实验获得的数值在几十皮秒到几纳秒之间。石墨烯自旋寿命只有达到纳秒及以上，其自旋输运才应用于实际。两个数量级以上的差异是致命的，它表明自旋弛豫是外源性的，比如杂质、缺陷或是研究中的误差。

　　石墨烯自旋阀与二氧化硅基底隧道接触，已经实验观测到几纳秒的自旋寿命，但针孔连接测得的寿命远低于一纳秒。接触引起的自旋弛豫是一个关键因素。这可通过提高接触质量和是铁磁电极间距远大于块材石墨烯自旋相干长度来缩短。

　　尽管已有大量的理论研究，但对于石墨烯自旋弛豫的来源仍知之甚少。有两种机制可用于解释实验趋势。基于自旋轨道耦合及动量散射解释金属及半导体自旋电子的来源。自旋轨道耦合是指电子的自旋与其运动的相互作用，自旋与由原子核周围电子轨道产生的磁场间的相互作用导致了颗粒原子能级的改变。

　　问题是两种自旋弛豫机制都不成立。两者都预测有微秒级的寿命，但实验表明最大只有几纳秒。唯一与单层和双层石墨烯实验结果相吻合的机制是基于由局域磁矩引起的共振散射。该模型由雷根斯堡(Regensburg)的Fabian研究小组提出。

　　最近的研究结果表明，电子迁移率并不是限制自旋寿命的因素，石墨烯中带电粒子和杂质间的散射也不是自旋弛豫的主要影响因素。也就是说，确定自旋弛豫的主要来源对石墨烯研究人员来讲仍然是一个挑战。确定石墨烯自旋弛豫的来源将有助于提高其自旋寿命，甚至达到理论极限，这对基础科学和技术应用都具有重要的意义。

　　未来发展方向(Future directions)

　　发表于《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)的综述在结论中指出，Fabian及其同事认为利用自旋，石墨烯自旋转移力矩的逻辑器件可用于信息处理。目前，自旋逻辑器件是国际搬到图技术路线(International Technology Roadmap for Semiconductors)的组成部分，以期应用于未来计算机。

　　自旋逻辑器件包括可擦写芯片、晶体管、逻辑门、磁传感器以及用于量子计算的半导体纳米颗粒。最近发表的“石墨烯、相关二维晶体及其杂化体系的科学技术路线图”("Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid /systems.")讨论了以上那些应用以及其他石墨烯基自旋电子学应用。该路线图由欧洲石墨烯旗舰计划(Europe's Graphene Flagship)框架提出，欧洲石墨烯旗舰计划是由欧洲委员会(European Commission)资助的一个国际学术/工业组织，致力于石墨烯及其他层状材料的研发。

　　自旋电子学是一个相对年轻的研究领域，但近年来在石墨烯及相关材料长自旋寿命和扩散长度方面已经取得了重大进展。石墨烯旗舰计划的研究人员处于这一世界性研究的核心。

　　新材料在线编译整理——翻译：菠菜 校正：摩天轮