來自西班牙與埃及的研究人員表示,藉由將氫原子插入石墨烯薄片的晶格,在以磁自旋編碼的奈米級磁疇中之電子陣列,能把石墨烯變成替代矽的自旋電子(spintronic) 材料。

石墨烯一直被視為矽材料的接班人,但該種材料少了一個關鍵成分──磁性;儘管矽的磁性在實際應用上並非重要的特性,不過預期在國際半導體技術藍圖(ITRS)規劃的2023年矽材料末日之後,資訊將會是被儲存在個別電子的磁自旋上(而非電荷的累積);利用磁自旋,電子能以自旋方向(上或下)來代表0與1,這也是自旋電子的基本原理。

現在研究人員認為,他們可以透過將氫原子插入(摻雜)石墨烯晶格特定位置的方法,來解決讓石墨烯擁有磁性的問題;如果這種方法奏效,電子元件將再也不會是相同的,因為氫只有單一個原子,使其成為可能是密度最高的自旋電子材料。藉由將氫原子分散在一個已經緊密排列的碳原子陣列(即石墨烯)中,能打造出奈米等級──甚至埃(angstrom,十分之一奈米)等級的自旋電子電路。

西班牙nanoGUNE合作研究中心(Cooperative Research Center,CIC)教授Ivan Brihuega表示:「我們是首度發現石墨烯上吸附的單個氫原子,如何磁化其週圍的石墨烯區域;相較於一般磁性材料的磁矩(magnetic moments)是被侷限在幾埃之內,被引發的石墨烯磁矩擴展為數奈米,並呈現原子級的調變自旋結構。」

Brihuega 指出,因為作用範圍從埃擴展到奈米等級,自旋電子電路可能藉由他們引發的磁矩被製作出來,並與以研究團隊所發現的特定規則而產生的鄰近自旋電子電路單元強烈耦合──也就是磁矩的總結(sum-up)或抵消(neutralize),取決於兩個鄰近氫原子吸附點的相對位置。此外Brihuega補充,同樣重要的是,該團隊成功達成對單一氫原子的操控,因而能選擇性調節選定石墨烯區域的集體磁性。」

研究人員表示,石墨烯實際上有兩個交錯的次晶格,其中之一能實現短距離的磁自旋加總,另一個則會抵消相同距離的磁自旋;相同的,如果相同次晶格內的自旋方向是相反的,就會相互吸引,反之如果相同則會相斥。研究人員也觀察到在特定配置下的調變效應;而如果透過將氫原子放置在每個次晶格的高度選擇性位置,並將以上的特性一起利用,就可望打造出原子等級的自旋電子電路。

石墨烯將因為擁有磁性而圓滿

Brihuega表示,自2004年石墨烯取得實驗用途之後,世界各地的實驗室都在嘗試為這種擁有眾多特色的純2D材料添加磁性;主要原因是,石墨烯是一種「先驗(priori,獨立於實驗)」的自旋電子技術理想材料,可望藉由同時發送磁性與電子訊息來取代傳統矽電子元件,並因此實現更強大的新一代電腦,能同步進行資訊的處理與儲存,就像人腦一樣。

因此Brihuega的團隊取得之研究成果,指明在石墨烯上自由產生磁矩的可能性,並展現那些磁矩如何能跨越遠距進行溝通;這為石墨烯材料在新興自旋電子領域的未來發展鋪平了道路。而因為理論基礎已經形成,接著就是將實驗室的成果轉化為現實世界的技術,這可能得等到ITRS預言的2023年。

Brihuega表示,其研究團隊的實驗是在5度絕對溫度(Kelvin,約攝氏零下268度)下進行,下一步就是要嘗試找出讓石墨烯能藉由吸附氫原子磁性化的最高溫度;而最困難的步驟,是如何讓雌性石墨烯能應用在現實世界的自旋電子元件,不過Brihuega對此抱持樂觀態度,認為要實現目標並不會花費太長時間。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Magnetic Graphene Possible,by R. Colin Johnson)