研究人員大多將石墨烯(graphene)作為導體或半導體之用，亦即使電流在此二維碳平面上流動，不過最近美國科學家證明只要讓電流的方向垂直碳平面，石墨烯便可用來製作絕佳的穿隧能障(tunnel barrier)。這對自旋電子學(spintronics)的應用可能有重要的影響。
電子的自旋可以指向「上」與「下」兩個方向，此性質在自旋電子元件中可用來儲存及處理資訊。在自旋電流中，自旋不同的電子朝反方向流動。由於切換自旋方向僅需很少能量，因此自旋電子電路較傳統元件要來得小且更有效率。自旋電子元件一般由鐵磁材料及半導體所構成。鐵磁材料如鐵或坡莫合金(permalloy)擁有本質自旋極化電子居量(spin-polarized electron population)，也就是自旋朝上與朝下的電子數量不同，因此能作為自旋注入半導體的理想接點。不過，鐵磁材料與半導體之間有很大的電導不匹配，需仰賴穿隧能障才能將自旋注入。
然而，常作為穿隧能障用的氧化物如氧化鋁及氧化鎂會在系統中造成缺陷，並且有電阻過高的問題。為了克服這個難題，美國海軍研究實驗室(NRL)的Berry Jonker等人決定採用石墨烯作為穿隧能障，因為此材料具有高化學穩定性且不易產生缺陷，適合做為鐵磁金屬與半導體間的低電阻石墨烯自旋接點。
該團隊以化學氣相沉積法成長石墨烯，然後讓石墨烯漂浮於水表面，再讓矽基板由下方接近，將石墨烯轉移至氫鈍化的矽表面。接著，他們透過此石墨烯穿隧能障將電子自旋從鐵磁性鎳鐵材料注入矽材料內，最後利用漢諾效應(Hanle effect)，測量由於矽材料內存在自旋極化所產生的電壓。
Jonker認為，他們的研究清除了未來半導自旋電子元件發展上的重大障礙。自旋元件利用電子自旋來儲存並處理資訊，因此能降低功率並提升速度，甚至可望突破摩爾定律(Moore's Law)。此外，由於所謂的能帶結構衍生之自旋過濾效應(band structure derived spin-filtering effect)，在自旋電子結構中使用石墨烯或許還能提供更高的穿隧自旋極化率。藉由較高的訊號噪訊比以及運作速度，這將有助於提升半導體自旋電子元件的效能。詳見Nature Nanotechnology|doi:10.1038/nnano.2012.161。
http://nanotechweb.org/cws/article/tech/51051
原始網站: http://nano.nchc.org.tw/
譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:劉家銘