透過賦予石墨烯磁性 科學家嘗試催生純碳MRAM

透過賦予石墨烯磁性 科學家嘗試催生純碳MRAM

上網時間: 2011年04月20日

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國馬里蘭州大學(University of Maryland)的研究人員發現,在石墨烯(graphene)晶格中導入空缺圖樣(patterns of vacancies)可使其產生磁性;透過空缺摻雜來控制石墨烯半導體元件的磁性,研究人員希望能將此種純材料應用於磁感測器與 MRAM 等新領域。

半導體元件通常是透過摻雜鐵或鈷等金屬材料來產生磁性,由馬里蘭大學教授Michael Fuhrer所率領的研究團隊則宣稱,可透過將空白圖樣(空缺)導入石墨烯的完美六邊形晶格,來賦予該種材料磁性。也有其他研究人員是採用表面處理(surface treatment)方式讓石墨烯產生磁性,但以上研究團隊所開發的新方法,號稱能免除採用碳以外的其他任何材料。

Fuhrer 的實驗室據說是第一個發現石墨烯載子遷移率(15,000cm2/Vs)比矽(1,400cm2/Vs)高十倍的單位之一(15,000 cm2/Vs VS 1,400cm2/Vs);現在該團隊公佈的最新研究成果,則是能透過在石墨烯晶格導入空缺,以使其產生磁性。

半導體元件的缺陷(defect)通常是透過摻雜,而新開發的方法則是以空缺取代摻雜不同材料;在此每個空缺所扮演的角色就像是奈米等級的磁鐵,擁有自己的“磁矩(moment)”。研究人員證實,那些空缺會與石墨烯材料中的電流激烈交互作用,並有可能利用近藤效應(Kondo effect)來諧調其半導體特性。

研究人員測量了摻雜空缺的石墨烯內部近藤效應溫度,發現約與電子密度高出無摻雜石墨烯許多的金屬材料相當,在凱氏絕對溫度(Kelvin)90度左右。

石墨烯電晶體示意圖
石墨烯電晶體示意圖:黃色部分為金(gold)電極、透明部分為二氧化矽、黑色部分為矽基板、紅色部分為石墨烯;圖上方是電晶體內部結構的放大,藍色為石墨烯晶體空缺

(來源:馬里蘭大學)

接下來,研究人員將嘗試調整空缺的排列圖樣,透過強制使所有在空缺範圍內的磁矩利用近藤效應排成一列,展現鐵磁性(ferromagnetism),如此就能使該材料以電氣開關,催生純碳磁性記憶體與感測器。

(參考原文: Magnetic graphene harnesses Kondo effect,by R. Colin Johnson;本文原刊於電子工程專輯簡體中文版網站)

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