RU2585404C1 - Graphene spin filter - Google Patents
Graphene spin filter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2585404C1 RU2585404C1 RU2015113131/28A RU2015113131A RU2585404C1 RU 2585404 C1 RU2585404 C1 RU 2585404C1 RU 2015113131/28 A RU2015113131/28 A RU 2015113131/28A RU 2015113131 A RU2015113131 A RU 2015113131A RU 2585404 C1 RU2585404 C1 RU 2585404C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- graphene
- spin
- monolayer
- ferromagnetic
- electrode
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/04—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using the flux-gate principle
- G01R33/05—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using the flux-gate principle in thin-film element
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Description
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.The claimed invention relates to the field of nanoelectronics and spintronics and is intended to form groups of polarized electrons with a given spin orientation in solid state electronics devices, as well as the selection and selection of such electrons. Devices that allow manipulating spin-polarized electrons can be used as means of processing and transmitting information in promising quantum computers.
Известны устройства для формирования и фильтрации спин-ориентированных электронов, которые предполагается использовать в перспективных устройствах спинтроники.Known devices for the formation and filtering of spin-oriented electrons, which are supposed to be used in promising spintronics devices.
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.In the known device for forming and filtering spin-oriented electrons [1], as well as in a number of scientific publications [2-3], the idea of a graphene spin filter based on the contact of graphene with the surface of a ferromagnetic metal Ni (111) was proposed. The device [1] consists of a graphene monolayer with two ferromagnetic electrodes at the edges of the graphene monolayer. The first ferromagnetic Ni (111) electrode is used to inject spin currents into graphene, and a second similar electrode is used to isolate (receive) spin currents after transport through a graphene sheet. Due to the long length of spin relaxation, graphene is used as a material in which injected spin currents are transported without significant losses to the second electrode, where the final selection of currents with a certain spin direction takes place. The operation of this spin filter is based on the following idea: the electronic structure of Ni (111) is characterized by a significantly different density of electronic states for different spin directions near the Fermi level. States with one spin direction (in the direction of the magnetic field) are located below the Fermi level at a binding energy of ~ 1 eV. In this case, states with the opposite spin direction (in the direction against the magnetic field) are located mainly at the Fermi level. If graphene is placed on top of Ni (111) and a corresponding electric field is applied, then electrons energetically localized near the Fermi level can be injected into graphene. In this case, the injected electrons will be characterized mainly by one spin direction, i.e. the direction that electrons have in Ni (111) at the Fermi level. If there are two Ni-electrodes in the system, then under the action of a pulling electric potential between them, the electrons injected into graphene (with the predominant spin direction) after transport in graphene will reach the second Ni-electrode. Since the second Ni electrode is characterized by a similar electronic spin structure, electrons from graphene into Ni can be injected only into states localized at the Fermi level, which are characterized by the same spin direction. This can occur only with parallel magnetization of Ni electrodes, but since only electrons with spin orientation opposite to the direction of the magnetic field are located at the Fermi level, when antiparallel magnetization of Ni electrodes at the Fermi level in the second electrode, there are only states of opposite spin orientation. This will lead to the fact that electrons from graphene with a spin orientation defined by the first Ni electrode cannot be injected into the second electrode, and the resulting spin current in the system will be zero. This means that with parallel magnetization of Ni electrodes, a spin current exists in the system, and with antiparallel magnetization, the spin current should tend to zero. That is, by changing the magnetization of the second Ni electrode, one can switch the spin currents passing through the system. This is the main idea of the spin filter. Graphene in this system ensures the passage with low losses of the injected spin current for a certain spin direction due to the impossibility of mixing spin electron states in graphene and a large amount of spin relaxation, which ensures small losses in the spin polarization (degree of polarization) of the injected and transported electrons. To fulfill these conditions, the unique electronic and spin structure of graphene with linear dispersion dependences near the Fermi level in the region of point K of the Brillouin zone of graphene must be preserved upon contact with a ferromagnetic electrode. The assumption that the electronic structure of graphene is maintained upon contact with Ni (111) is the basis of this model of a graphene spin filter.
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).Common with the claimed device features is that a graphene sheet with two ferromagnetic electrodes at the edges of the sheet is used. Moreover, experimental studies have shown that the assumption that the electronic structure of graphene is preserved upon contact with Ni (111) does not correspond to reality. In reality, when graphene contacts the Ni (111) surface, the electronic structure characteristic of graphene with linear dispersion R of graphene states in the region of point K of the Brillouin zone is not preserved. In the region of the Fermi level (0–2 eV), the linear nature of the dispersion dependence of the dispersion dependence R of graphene states occurs due to strong hybridization of the π states of graphene with d states of Ni. This leads to the fact that at the Fermi level there are no corresponding spin-split graphene π states where electrons with a certain spin orientation can be injected and subsequently transported with small losses to the second electrode. Therefore, the contact of graphene with the surface of Ni (111) cannot be directly used as the basis for effective spin filtering devices. Hence, the drawback of this model of a graphene spin filter is the impossibility of constructing a really working device based only on direct contact of graphene with the Ni (111) surface.
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.A technical solution is also known [4], where metal electrodes made of Pt, Au, Pd, Ag, Bi, formed over a magnetic dielectric layer for transmitting a spin wave, were used to create a spin filter. A common feature with the claimed device is the introduction of precious metals in the composition of the contact electrode. However, the use of a dielectric layer for transporting electrons leads to significant losses during the passage of the contact, which significantly reduces the magnitude of the spin currents and the efficiency of spin filtration.
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.Known graphene spin filter [5], which contains an electrode made of ferromagnetic metal Co (0001), having a similar spin electronic structure of the valence band, while a thin dielectric layer of Mg or Al oxide is introduced into the space between graphene and the ferromagnetic electrode. This dielectric layer plays a dual role: on the one hand, it does not allow the electronic structure of graphene to be destroyed upon contact with a ferromagnetic electrode, and, on the other hand, it blocks return spin currents. Common with the claimed device features is that a monolayer of graphene with two ferromagnetic electrodes at the edges is used. The disadvantages of the known device include large losses of spin currents and the degree of spin polarization during the passage of an additional dielectric layer.
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 Al2O3 (или MgO, BN, MgAl2O4). 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.The closest technical solution to the claimed device is a technical solution [6], using a graphene monolayer, two ferromagnetic electrodes and two non-magnetic (or ferromagnetic) electrodes. The first ferromagnetic electrode and the second non-magnetic electrode are located one above the other and between them is a monolayer of graphene. The third ferromagnetic electrode and the fourth non-magnetic electrode are located one above the other on the opposite side of the device and there is also a graphene monolayer between them. An electric current is passed between the first ferromagnetic and second electrodes, which leads to the injection of spin currents into the graphene monolayer with their subsequent transport to the third ferromagnetic electrode and the fourth electrode. Between the third ferromagnetic and fourth electrodes, spin accumulation is recorded as a voltage signal. The ferromagnetic electrode consists of a ferromagnetic layer and a dielectric layer, while the dielectric layer is located between the ferromagnetic layer and the graphene monolayer. As the dielectric layer, Al 2 O 3 (or MgO, BN, MgAl 2 O 4 ) is used. Co (or Co-Fe alloys, Ni-Fe alloys, Ni-Fe-Co alloys) is used as a ferromagnetic layer. And as non-magnetic electrodes are used, for example, Cu, Al, MG / Au, TiN, TaN, TiW or W. Common features with the claimed device is the use of a monolayer of graphene, ferromagnetic electrodes and noble metals in non-magnetic electrodes, the introduction of an insulating layer on the surface ferromagnetic electrodes. Distinctive features of the claimed device is the use as an insulating layer of a buffer monolayer of graphene, the dimensions of which are limited by the dimensions of the ferromagnetic electrode, i.e. the location of the noble metal layer in the claimed device between the ferromagnetic electrode and the buffer monolayer of graphene, while the noble metal layer consists of a monolayer of gold atoms (or Ag, Cu). The introduction of a buffer monolayer of graphene in the claimed device instead of the dielectric layer specified in the prototype, can significantly reduce losses during passage of the contact and reduce the magnitude of the return spin currents, and therefore increase the efficiency of spin filtration. And the use of a noble metal (Au, Ag, Cu) on the surface of the ferromagnetic electrode allows you to save the unique electronic structure of graphene, which will be destroyed by direct contact with the ferromagnetic electrode.
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.The technical result achieved by the proposed device is to significantly increase the degree of spin polarization of the current of spin-oriented electrons at the output of the device and to reduce the loss of spin current when passing through the filter. The specified technical result is achieved by the fact that, in contrast to the prototype, which includes a graphene monolayer with two ferromagnetic electrodes, a layer is added between each of the ferromagnetic electrodes and the graphene monolayer in the claimed technical solution. This layer makes it possible to match the electronic structure of the material of ferromagnetic electrodes and the graphene monolayer with preserving a large length of electron spin relaxation, while the losses of the injected spin-polarized current through the contact are reduced and the return spin currents in the graphene spin filter are reduced. The layer consists of a graphene buffer monolayer, the dimensions of which are limited by the size of the ferromagnetic electrode, and a noble metal layer consisting of a monolayer of gold atoms (or Ag, Cu), located between the graphene buffer monolayer and the ferromagnetic electrode.
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.The essence of the claimed device is illustrated in FIG. 1-4. A proposed graphene spin filter is illustrated in FIG. 1, on which 1 is a graphene monolayer, 2 is a graphene buffer monolayer, 3 is a noble metal layer, 4 is a Ni (111) ferromagnetic electrode (or Co (0001)). Two
На Фиг. 2 изображена потенциальная диаграмма заявленного устройства, изображенного на Фиг. 1.In FIG. 2 is a potential diagram of the claimed device of FIG. one.
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.In FIG. Figure 3 shows the electronic energy structure of the Dirac cone of the electronic states of graphene for the contact of the buffer monolayer of graphene with various metals - (a) graphene / Au / Ni (111), (b) graphene / Cu / Ni (111) and (c) graphene / Ag / Ni (111). The energy shift of the Dirac point for these systems is shown.
На Фиг. 4 приведена сравнительная таблица особенностей электронной структуры для различных металлов (Au, Cu, Ag).In FIG. Figure 4 shows a comparative table of the electronic structure features for various metals (Au, Cu, Ag).
Заявленное устройство было апробировано в Санкт-Петербургском государственном университете (СПбГУ).The claimed device was tested at St. Petersburg State University (St. Petersburg State University).
Конкретные примеры реализацииSpecific Implementation Examples
Пример 1.Example 1
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 MG2. 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 MG1, предназначенный для транспорта инжектированных спиновых токов до второго контакта, служащего детектором спиновых токов. Роль буферного монослоя графена MG2 заключается в минимизации влияния контактных явлений на спиновые транспортные характеристики основного монослоя графена MG1, в котором осуществляется транспорт, и обеспечении эффективности оттока инжектированных электронов приложенным потенциалом. Второй MG2/Au/Ni контакт имеет аналогичные характеристики, как и первый MG2/Au/Ni контакт и обеспечивает эффективное прохождение спинового тока при параллельной магнетизации ферромагнитных электродов и запирание спинового тока при их антипараллельной магнетизации.The claimed device shown in FIG. 1 using a Ni (111) single crystal as ferromagnetic electrodes, a graphene monolayer intended for transporting the injected spin current, a monolayer of Au noble metal atoms (gold), and a graphene buffer monolayer. The introduction of a monolayer of Au atoms between the graphene monolayer and Ni (111) monolayer blocks the strong covalent interaction of graphene with the Ni substrate. As a result, the electronic structure of the valence band of graphene on the surface with intercalated layers of noble metals is preserved and becomes similar to the electronic structure of quasifree graphene with a linear dispersion dependence of π states in the valence band of graphene in the region of point K of the Brillouin zone. Thus, the direct contact of graphene with a contact consisting of Ni (111) and coated with an Au (111) monolayer can be used as a metal contact in which the electronic structure and physicochemical properties of graphene are preserved. In this case, the spin structure of Ni d states with spin polarization at the Fermi level for the Au / Ni (111) system is preserved, which ensures the injection of electrons from the Au / Ni (111) electrode onto graphene π states with a certain spin direction located in the level region Fermi. In order to optimize the conditions for electron injection from spin-polarized states of an electrode composed of Au / Ni (111), an additional buffer (intermediate) graphene monolayer with dimensions limited to Au / Ni (111) is introduced into graphene intended for transport of spin currents contact. This additionally minimizes the effect of contact phenomena on the efficiency of spin transport. The introduction of this buffer monolayer allows one to move away from the rigid binding of the electronic structure of graphene relative to the Fermi level of the metal and shift the cones of the electronic states of graphene (formed by the intersection of the branches of the π states of graphene in the region of point K of the Brillouin zone) with the applied potential, ensuring the efficiency of the outflow of injected electrons into the graphene monolayer and minimizing the return spin currents. According to the energy potential diagram shown in FIG. 2, electrons with a certain spin direction (opposite to the magnetic field) are injected from Ni (111) d states localized at the Fermi level through the Au monolayer to the free π states of the buffer monolayer of graphene MG 2 . The introduction of an Au monolayer prevents the destruction of the electronic structure of graphene upon contact with a ferromagnetic metal. Under the action of the applied pulling potential, electrons from the buffer graphene monolayer are injected into the graphene monolayer MG 1 , intended for transporting the injected spin currents to the second contact, which serves as a spin current detector. The role of the buffer monolayer of graphene MG 2 is to minimize the influence of contact phenomena on the spin transport characteristics of the main monolayer of graphene MG 1 , in which transport is carried out, and to ensure the efficiency of the outflow of injected electrons by the applied potential. The second MG 2 / Au / Ni contact has the same characteristics as the first MG 2 / Au / Ni contact and provides effective passage of the spin current during parallel magnetization of ferromagnetic electrodes and the spin current is blocked during their antiparallel magnetization.
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 ΔED ~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.In FIG. 3 and in the comparative table of FIG. Figure 4 shows that the Dirac point for the graphene / Au / Ni (111) system is located near the Fermi level and is shifted to the region of unfilled states by ΔE D ~ 100 meV. According to the experimental results known in the literature, the carrier conductivity in graphene is proportional to the density of electronic states at the Fermi level. At the Dirac point, the density of states is zero, however, the conductivity is not equal to zero at this point, which makes it possible to successfully use the graphene / Au / Ni (111) contact in the claimed device. At the same time, at the Dirac point, the electrons have increased mobility and have a large mean free path, which reduces the intensity loss of the spin-polarized current passing through the graphene / Au / Ni (111) contact. In addition, the magnitude of the spin – orbit splitting R of graphene states upon contact with Au reaches ~ 100 meV and is much larger than is possible for free graphene. This allows you to increase the degree of spin polarization in the claimed device when using the contact of the buffer monolayer of graphene with Au.
Пример 2.Example 2
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 ΔED=-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.It is possible to use metal atoms Cu (copper) as a monolayer of metal under a buffer monolayer of graphene. In this case, as shown in FIG. 3 and in the comparative table of FIG. 4, the Dirac point for the graphene / Cu / Ni (111) system will be shifted relative to the Fermi level by ΔE D = -310 meV. The shift of the Dirac point leads to a higher density of states at the Fermi level, and hence to a higher electron conductivity in graphene, as compared to Example 1. According to experimental data in the literature, the carrier conductivity in graphene increases with distance from the Dirac point. And this means that the graphene / Cu / Ni (111) contact allows to achieve greater conductivity at the Fermi level in the claimed device, and, accordingly, to increase the efficiency of the device. However, in this case, the electron mobility at the Fermi level and their mean free path will be significantly inferior to these parameters in the case of using Au.
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 ΔED=-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.Example 3. As the metal monolayer under the buffer monolayer of graphene, it is possible to use metal atoms Ag (silver). According to FIG. 3 and the comparative table in FIG. 4, the Dirac point for this system is shifted toward higher binding energies relative to the Fermi level by ΔE D = -560 meV. This leads to an even larger value of the electron conductivity in graphene at the Fermi level, compared with Au and Cu. However, in the case of Au, the much larger electron mobility at the Fermi level and the large mean free path make it possible to reduce the spin-polarized current loss when passing through the device. In addition, the spin-orbit splitting of the R states of graphene upon contact with Au, as shown in the table in FIG. 4 leads to an increase in the degree of spin polarization of the current of spin-oriented electrons at the output of the device, despite the lower carrier conductivity at the Fermi level.
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.The above examples prove the achievement of the technical result and allow you to use the claimed device as a structural element of quantum computers working with information flows encoded by groups of spin-polarized electrons.
Использованные источники информацииInformation Sources Used
1. Патент KR20090129298.1. Patent KR20090129298.
2. V.M. Karpan et al, Phys.Rev. В, v.78, 195419 (2008).2. V.M. Karpan et al, Phys. Rev. B, v. 78, 195419 (2008).
3. Y. Cho et al, J. Phys. Chem., v.115, 6019 (2011).3. Y. Cho et al, J. Phys. Chem., V. 115, 6019 (2011).
4. Патент США 8,254,163.4. US patent 8,254,163.
5. N. Tombros, et al. Nature, v.448, p.571 (2007).5. N. Tombros, et al. Nature, v. 488, p. 571 (2007).
6. Патент США 8,836,060.6. US patent 8,836,060.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015113131/28A RU2585404C1 (en) | 2015-04-09 | 2015-04-09 | Graphene spin filter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015113131/28A RU2585404C1 (en) | 2015-04-09 | 2015-04-09 | Graphene spin filter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2585404C1 true RU2585404C1 (en) | 2016-05-27 |
Family
ID=56096089
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015113131/28A RU2585404C1 (en) | 2015-04-09 | 2015-04-09 | Graphene spin filter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2585404C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107203053A (en) * | 2017-06-12 | 2017-09-26 | 电子科技大学 | A kind of adjustable light wave-filter based on graphene silicon waveguide |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8254163B2 (en) * | 2008-06-05 | 2012-08-28 | Keio University | Spintronic device and information transmitting method |
| US8378329B2 (en) * | 2007-03-02 | 2013-02-19 | Brookhaven Science Associates, Llc | Nanodevices for spintronics and methods of using same |
| US20140070168A1 (en) * | 2011-02-24 | 2014-03-13 | Universite Paris-Sud | Electronic component, methods for manufacturing the same and use of graphene in an electronic component |
| US8836060B2 (en) * | 2011-07-22 | 2014-09-16 | Panasonic Corporation | Spin device, driving method of the same, and production method of the same |
| RU2013124061A (en) * | 2010-10-26 | 2014-12-10 | Сантр Насьональ Де Ля Решерш Сьянтифик | MAGNETIC RECORDING ELEMENT |
-
2015
- 2015-04-09 RU RU2015113131/28A patent/RU2585404C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8378329B2 (en) * | 2007-03-02 | 2013-02-19 | Brookhaven Science Associates, Llc | Nanodevices for spintronics and methods of using same |
| US8254163B2 (en) * | 2008-06-05 | 2012-08-28 | Keio University | Spintronic device and information transmitting method |
| RU2013124061A (en) * | 2010-10-26 | 2014-12-10 | Сантр Насьональ Де Ля Решерш Сьянтифик | MAGNETIC RECORDING ELEMENT |
| US20140070168A1 (en) * | 2011-02-24 | 2014-03-13 | Universite Paris-Sud | Electronic component, methods for manufacturing the same and use of graphene in an electronic component |
| US8836060B2 (en) * | 2011-07-22 | 2014-09-16 | Panasonic Corporation | Spin device, driving method of the same, and production method of the same |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107203053A (en) * | 2017-06-12 | 2017-09-26 | 电子科技大学 | A kind of adjustable light wave-filter based on graphene silicon waveguide |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Premasiri et al. | Tuning spin–orbit coupling in 2D materials for spintronics: a topical review | |
| Zeng et al. | Spin-dependent thermoelectric effects in graphene-based spin valves | |
| Bader et al. | Spintronics | |
| JP6438532B2 (en) | Magnetic tunnel junction device including spin filter structure | |
| CN107004440B (en) | Circuit and apparatus based on enhanced spin Hall effect for effective spin transfer torque | |
| US8557610B2 (en) | Methods of integrated shielding into MTJ device for MRAM | |
| Gusev et al. | Transport in disordered two-dimensional topological insulators | |
| Michaeli et al. | Superconducting and ferromagnetic phases in SrTiO 3/LaAlO 3 oxide interface structures: possibility of finite momentum pairing | |
| KR102582983B1 (en) | magnetic memory element | |
| Ishikawa et al. | Spin relaxation through lateral spin transport in heavily doped n-type silicon | |
| KR20200051635A (en) | Method of manufacturing a stacked structure of a magnetic body and BiSb, a magnetoresistive memory, a net spin injection source | |
| KR20180133278A (en) | Semiconductor device and method for manufacturing the same | |
| US10302711B2 (en) | Spin hall effect magnetic structures | |
| RU2013124061A (en) | MAGNETIC RECORDING ELEMENT | |
| Yamamoto et al. | Spin polarization in a T-shaped conductor induced by strong Rashba spin-orbit coupling | |
| Karwacki et al. | Spin-dependent thermoelectric effects in a strongly correlated double quantum dot | |
| KR101939005B1 (en) | Magnetic tunnel junctions | |
| Lee et al. | Multimode threshold and bipolar resistive switching in bi-layered Pt-Fe2O3 core-shell and Fe2O3 nanoparticle assembly | |
| RU2585404C1 (en) | Graphene spin filter | |
| JP2015061045A (en) | Spin-based mosfet | |
| JP6780871B2 (en) | Magnetic tunnel diode and magnetic tunnel transistor | |
| Bibes et al. | Towards electrical spin injection into LaAlO3–SrTiO3 | |
| JP5649605B2 (en) | Spin transistor and memory | |
| Zeng et al. | Spin filtering and spin separating effects in U-shaped topological insulator devices | |
| Fert | Historical overview: From electron transport in magnetic materials to spintronics |