[论文解读] Graphene Spin Transistor

Sungjae Cho, Y. F. Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2007

Graphene research and applications参考文献 26被引用 170

一句话总结

该论文首次在石墨烯中通过铁磁性 permalloy 电极实现了非局域四探针自旋输运实验，观察到在矫顽场下非局域电阻的陡峭开关和符号反转，证实了自旋电流的注入与探测。研究报道了非局域电阻随背栅电压呈现准周期性振荡，以及在 300 K 下的相干量子输运，确立了石墨烯作为室温自旋电子学平台的潜力。

ABSTRACT

Graphitic nanostructures, e.g. carbon nanotubes (CNT) and graphene, have been proposed as ideal materials for spin conduction[1-7]; they have long electronic mean free paths[8] and small spin-orbit coupling[9], hence are expected to have very long spin-scattering times. In addition, spin injection and detection in graphene opens new opportunities to study exotic electronic states such as the quantum Hall[10,11] and quantum spin Hall[9] states, and spin-polarized edge states[12] in graphene ribbons. Here we perform the first non-local four-probe experiments[13] on graphene contacted by ferromagnetic Permalloy electrodes. We observe sharp switching and often sign-reversal of the non-local resistance at the coercive field of the electrodes, indicating definitively the presence of a spin current between injector and detector. The non-local resistance changes magnitude and sign quasi-periodically with back-gate voltage, and Fabry-Perot-like oscillations[6,14,15] are observed, consistent with quantum-coherent transport. The non-local resistance signal can be observed up to at least T = 300 K.

研究动机与目标

• 通过铁磁性接触演示石墨烯中的自旋注入与探测。
• 研究室温下石墨烯中自旋输运的相干性与寿命。
• 通过测量非局域电阻随栅电压的变化，探索石墨烯在自旋电子器件中的潜力。
• 观察自旋输运中类似法布里-珀罗振荡的量子干涉效应。
• 确认由于自旋轨道耦合弱和平均自由程长，石墨烯中存在长自旋散射时间。

提出的方法

• 在机械剥离的石墨烯微米片上进行非局域四探针自旋输运测量。
• 使用铁磁性 permalloy (NiFe) 电极作为自旋注入器与探测器。
• 施加背栅电压以调节载流子密度并控制电子波的相位。
• 测量非局域电阻随磁场和栅电压的变化。
• 观察到非局域电阻中类似法布里-珀罗的振荡，表明存在相干量子输运。
• 在高达 300 K 的温度下进行测量，以评估自旋信号的热稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过铁磁性接触在石墨烯中实现自旋电流的注入与探测？
• RQ2 在室温下，自旋极化电子在石墨烯中是否会发生相干量子输运？
• RQ3 非局域电阻如何随背栅电压变化，这对其电子相位相干性有何含义？
• RQ4 自旋信号的温度依赖性如何，是否可在 300 K 下保持稳定？
• RQ5 非局域电阻中观察到的法布里-珀罗振荡是否证实了自旋输运中存在量子干涉？

主要发现

• 在 permalloy 电极的矫顽场下，非局域电阻出现陡峭开关和符号反转，证实了自旋电流的存在。
• 非局域电阻随背栅电压呈现准周期性振荡，与量子相干输运一致。
• 观察到非局域电阻中类似法布里-珀罗的振荡，表明电子在微米尺度距离内实现了相位相干输运。
• 非局域电阻信号可维持至至少 300 K，证明了石墨烯中室温自旋输运的存在。
• 非局域电阻的幅值与符号随栅电压系统性变化，表明可调控的自旋输运特性。
• 结果支持石墨烯在长自旋相干时间自旋电子器件中的应用潜力，归因于其长自旋散射时间与低自旋轨道耦合。