Spintronika grafenowa rozwiązaniem dla molekularnych urządzeń elektronicznych nowej generacji
Jeszcze nie tak dawno spintronika – nanoskalowa dziedzina elektroniki umożliwiająca wytwarzanie dysków twardych bazujących na wykrywaniu i zmianie spinu elektronu – oraz elektronika molekularna – w której podstawowymi elementami tworzącymi obwód elektroniczny są molekuły – były rozważane całkowicie oddzielnie. Budując przełączalny, działający w temperaturze pokojowej polaryzator spinu, który integruje molekuły magnetyczne i elektro-aktywne z elektrodami grafenowymi modyfikowanymi materiałami ferromagnetycznymi, uczestnicy projektu ACMOL otwarli nowe możliwości rozwoju badań spintronicznych. „Mimo coraz większych postępów w dziedzinie spintroniki, »spintronika molekularna« nadal jest dla nas wielkim wyzwaniem” – mówi dr Núria Crivillers, koordynator projektu z hiszpańskiego instytutu ICMAB-CSIC. „Ponieważ obecne tendencje rynkowe wymagają od nas stałego zmniejszania rozmiarów magnesów stanowiących serce dysków twardych, musimy się zastanowić nas sposobem, w jaki spin molekuł oraz prąd elektryczny oddziałują między sobą”. Zespół ACMOL znacząco przyczynił się do rozwiązania tego problemu, dowodząc, że prąd elektryczny może oddziaływać na spin molekuły przełączanej pomiędzy różnymi stanami. W ramach projektu opracowano metody pomiaru i kontroli przekazywania ładunku na złączu elektroda-molekuła-elektroda, jak również nowe, bazujące na grafenie technologie dla spintroniki molekularnej, których wydajność porównano ze standardowymi technologiami opartymi na miedziowcach. „Najczęściej wykorzystywanym materiałem do budowy elektrod o rozstawie nanometrycznym, używanych w eksperymentalnych modelach elektroniki molekularnej, jest złoto. Elektrody te nie są jednak stabilne w temperaturze pokojowej, co przekłada się na słabą odtwarzalność wyników i nie pozwala na przenoszenie spinu. Z kolei grafen charakteryzuje się taką stabilnością. Jego duża odporność mechaniczna, wyjątkowo wysoka przewodność elektroniczna i cieplna, nieprzepuszczalność gazów, stabilność w temperaturze pokojowej oraz dwuwymiarowa struktura sprawiają, że grafen ma potencjał do tworzenia złączy molekularnych o większym stopniu odtwarzalności” – wyjaśnia dr Crivillers. Dzięki odkryciom projektu ACMOL udało się dokonać znacznych postępów w pracach nad stworzeniem stabilnych elektrod tego typu oraz powiązanych urządzeń molekularnych. Do innych ważnych osiągnięć projektu należą: stworzenie szczegółowej, dogłębnej charakterystyki zachowania opartych na grafenie urządzeń molekularnych w temperaturach od kriogenicznej do pokojowej; udowodnienie, że molekuły kowalencyjnie przyłączone do podłoża grafenowego o dużej wytrzymałości mechanicznej są doskonałym rozwiązaniem dla elektronicznych urządzeń molekularnych nowej generacji; opracowanie nowych metod masowej produkcji elektrod o rozstawie nanometrycznym i nanoskalowym ograniczeniu przestrzennym, charakteryzujących się niskim zużyciem energii; stworzenie techniki łamania złączy węglowych w skaningowej spektroskopii tunelowej (STM) z wykorzystaniem najnowocześniejszych końcówek grafitowych STM; opracowanie nowych, zaawansowanych algorytmów obliczeniowych w zakresie kwantowego transportu elektronu, zaimplementowanych w oprogramowaniu Smeagol. „Nasze rozwiązania z pewnością przyspieszą rozwój nowej generacji wysoko wydajnych, tanich, nieulotnych, uniwersalnych, ultraszybkich i energooszczędnych podzespołów elektronicznych wykorzystywanych w mikroelektronice, (bio)czujnikach, komputerach kwantowych, magazynach danych o dużej gęstości czy sprzęcie medycznym” – wymienia dr Crivillers. Mimo że celem uczestników projektu było jedynie przeprowadzenie podstawowych badań, zrozumienie i kontrola interakcji między spinem molekuły a elektronem oraz rozwój technologii opartych na grafenie z pewnością przyczynią się do naukowego i technologicznego zrewolucjonizowania spintroniki molekularnej. „Wierzymy, że wyniki projektu ACMOL wspomogą dalsze prace nad nowymi koncepcjami stanowiącymi podstawę technologii hybrydowych i pozwolą pokonać ograniczenia związane ze współczesnymi technologiami krzemowymi” – podsumowuje dr Crivillers. Przewiduje ona, że w niedalekiej przyszłości swoje zastosowanie znajdą również materiały inne niż grafen, takie jak MoS2, BN czy MoSe2. Ogólnie rzecz biorąc, dzięki technologicznym, doświadczalnym i obliczeniowym osiągnięciom projektu ACMOL Europa staje się coraz poważniejszym graczem w zakresie spintroniki molekularnej i technologii grafenowych.
Słowa kluczowe
ACMOL, spintronika, elektronika molekularna, grafen, dysk twardy, elektronika
