Warning: Undefined array key "bio" in /home/techwatch/domains/test.bits-chips.nl/public_html/wp-content/plugins/wpcodebox2/src/Runner/QueryRunner.php(126) : eval()'d code on line 13
Author:
Reading time: 4 minutes
Onderzoekers hebben hoge verwachtingen van spintronica, het uitbuiten van de kwantummechanische spin in elektronische toepassingen. Het overbrengen van elektronen met de juiste spin van magnetische materialen naar halfgeleiders stuit echter nog op problemen. UT-promovendus Volodymyr Karpan rekende aan het grensoppervlak tussen de twee materialen en vond dat de wanorde roet in het eten gooit. Zijn berekeningen leidden uiteindelijk tot een nieuw type halfgeleider.
Elektronica is gebaseerd op het overbrengen van lading, meestal in de vorm van elektronen. Die hebben echter nog andere eigenschappen, die mogelijk uit te buiten zijn. Een van die eigenschappen waar onderzoekers verlekkerd naar kijken, is de spin, een kwantummechanische eigenschap, die omhoog of omlaag gericht kan zijn. Dit hangt samen met het magnetisme van het materiaal.
Eén spintronicatoepassing is al wijdverspreid: de leeskop van harde schijven. Die bestaat uit twee ferromagnetische laagjes, met daartussen een niet-magnetisch geleidend laagje. Zijn de twee magnetische velden tegenovergesteld gericht, dan kan er vrijelijk een stroom door de sandwich lopen. Worden de magneten echter gelijk gericht, dan schiet de weerstand van de tussenlaag omhoog. Dit is het giant magnetoresistance-effect (GMR). Het gelijkrichten kan door een extern magnetisch veld aan te leggen. De weerstand is dus een maat voor de magnetische eigenschappen van een onderliggend materiaal, zoals de datacellen op een schijf van de harddisk. Tegenwoordig wordt vaak een broertje van GMR gebruikt, het tunnel magnetoresistance-effect (TMR) in harde schijven en voor magnetisch Ram (MRam). Hierin is het geleidende laagje vervangen door een flinterdun isolatormateriaal. Daarmee zijn kleinere structuren te maken.
Spintronica belooft echter meer. Een transistor die niet alleen de elektrische lading, maar ook de spin van de elektronen gebruikt, beschikt over meer vrijheidsgraden. Ook bestaat de mogelijkheid dat transistoren hun toestand onthouden als de stroom wordt afgeschakeld. Het bouwen van een spintransistor is tot nu toe echter nog niet gelukt. Het injecteren en transporteren van een spingepolariseerde elektronenstroom vanuit een magnetisch materiaal, ofwel spinfiltering, is in silicium nog niet goed van de grond gekomen.
’Dat komt door het grensoppervlak‘ zegt UT-promovendus Volodymyr Karpan. ’Het lukt nooit om een perfect glad oppervlak te maken tussen de twee materialen, je krijgt altijd een mate van menging tussen de twee materialen.‘ De uit Oekraïne afkomstige Karpan onderzocht dat grensoppervlak voor zijn promotie. Om precies te zijn: hij deed een theoretische modelstudie aan de overdracht van spingepolariseerde elektronen tussen twee materialen.
Nobelprijs
In eerste instantie keek Karpan hoe deze overdracht is te verbeteren. Daarvoor bouwde hij een model van de interface tussen ijzer en de halfgeleider indiumarsenide. ’Theoretische studies gaan altijd uit van ideale oppervlaktes, zonder wanorde. Op het moment dat je dat meeneemt, worden je berekeningen een stuk zwaarder. Je moet dus een methode kiezen en die sterk optimaliseren.‘ Helaas was het niet praktisch om silicium te gebruiken in het model. ’Silicium heeft een te kleine bandgap, in de meeste berekeningen valt die weg en dan is het geen halfgeleider meer.‘
Als die wanorde in het model wordt meegenomen, blijkt er een uitdoving te zijn van de spininjectie. Een mogelijke oplossing voor dit probleem is om een bufferlaagje tussen de twee materialen aan te brengen. ’Als je ze niet perfect op elkaar kunt laten groeien, waarom zou je ze dan niet scheiden met iets dat de spinfiltering niet beïnvloedt, was de gedachte.‘ Karpan koos goud als bufferlaag. En dat werkte. ’Alhoewel niet zo goed als we hadden gehoopt‘, voegt hij eraan toe.
Vervolgens richtte Karpan zijn pijlen op TMR. De theoretische modellen komen namelijk niet goed overeen met de gemeten effecten in de praktijk. ’Mensen gebruiken het model, maar begrijpen niet goed wat het betekent‘, legt Karpan uit. Ook dit bleek grotendeels te verklaren met wanorde aan het grensoppervlak.
Toen hij er eenmaal mee bezig was, nam hij nog een aspect van TMR onder de loep. GMR mag dan wel vorig jaar de Nobelprijs voor natuurkunde in de wacht hebben gesleept, TMR was eerder ontdekt door Michel Jullière, die een model voorstelde om het te verklaren. Dat model miste de theoretische onderbouwing. Karpan heeft dit nu uitgebreid met zijn eigen werk.
Verbranden
Vooral over het laatste deel van zijn onderzoek is Karpan enthousiast: het gebruik van grafiet en zijn tweedimensionale variant grafeen. ’Dat heeft nog nooit iemand bekeken in verband met spinfiltering, en het is veelbelovend‘, vertelt de promovendus. ’De wanorde aan het oppervlak doet er niet toe. Theoretisch kun je een spingepolariseerde stroom zonder problemen vanuit een ferromagnetisch materiaal in grafiet of grafeen injecteren en dat weer overdragen aan zo ongeveer elk materiaal dat je wilt, zowel geleiders als halfgeleiders.‘
Karpan vond verder dat grafeen, momenteel het troetelkindje van toekomstkijkers, grote mogelijkheden biedt. Het kristalrooster blijkt namelijk uitstekend te combineren met het kristalrooster van boor en stikstof. Dat leidt in feite tot een nieuw type volledig platte direct-gap halfgeleider.
Of het in de praktijk ook zo uitpakt met grafiet en grafeen, is nog niet duidelijk. ’Het is vrij problematisch om een koolstoflaagje aan te brengen op een ferromagnetische structuur. Normaal gaat dat via epitaxie, maar daarmee verbrand je de koolstof.‘
