研究實(shí)驗(yàn)確認(rèn)：“石墨烯實(shí)現(xiàn)了自旋電子學(xué)上的突破”
英國曼徹斯特大學(xué)宣布，該大學(xué)教授安德烈·海姆（Andre Geim）的研究小組已確認(rèn)了石墨烯通入電流時(shí)會(huì)發(fā)生磁化的特性。詳細(xì)成果已發(fā)表在2011年4月15日的學(xué)術(shù)雜志《Science》上。
此次的研究成果是確認(rèn)了石墨烯會(huì)發(fā)生與“自旋霍爾效應(yīng)”相似的現(xiàn)象。自旋霍爾效應(yīng)是指，向非磁性體導(dǎo)電材料通電時(shí)，會(huì)沿著垂直于電流的方向產(chǎn)生自旋流，即出現(xiàn)材料被磁化的現(xiàn)象。由于能夠通過電流的強(qiáng)度來控制磁化強(qiáng)度，因此有望應(yīng)用于電流與磁性相融合的“自旋電子學(xué)”。不過，以前自旋霍爾效應(yīng)發(fā)生的磁化現(xiàn)象都非常弱，而且只在微小尺寸的元件上發(fā)現(xiàn)過這種現(xiàn)象。
海姆等人此次發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象是，在石墨烯的載流子密度為零的“狄拉克點(diǎn)（Dirac point）”附近，為石墨烯施加磁場(chǎng)及電流時(shí)，石墨烯薄膜上會(huì)沿著垂直于電流的方向產(chǎn)生自旋流。
據(jù)曼徹斯特大學(xué)介紹，此次與以往的自旋霍爾效應(yīng)存在以下不同點(diǎn)。（1）無法用以前用來解釋自旋霍爾效應(yīng)的“自旋軌道相互作用”來解釋上述現(xiàn)象；（2）通過施加磁場(chǎng)及改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，可以控制自旋流的強(qiáng)度；（3）即便在室溫下施加0.1T的弱磁場(chǎng)，仍可產(chǎn)生足夠大的效應(yīng)；（4）即便是數(shù)μm的較大尺寸，自旋流也不會(huì)衰減。
以前也有人在理論上指出石墨烯可以發(fā)生這種現(xiàn)象。不過，因載流子密度較小等原因，在狄拉克點(diǎn)附近進(jìn)行實(shí)驗(yàn)十分困難，因此一直未能確認(rèn)到這種現(xiàn)象。海姆等人此次制作了載流子遷移率在室溫下達(dá)到1萬4000cm2/Vs的高品質(zhì)石墨烯元件，并成功進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)方法為，在涂有氮化硼（BN）的SiO2基板上制備了石墨烯元件。此次還采用不使用BN的元件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明會(huì)發(fā)生相同現(xiàn)象，不過室溫下的效果只有使用BN時(shí)的1/100。
海姆就此次的研究成果表示，“這對(duì)于自旋電子學(xué)的很多領(lǐng)域來說都是一大喜訊”。
海姆的研究小組由來自五個(gè)國家的11名人員組成，除曼徹斯特大學(xué)之外，還包括來自美國普林斯頓大學(xué)、日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）、荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)、美國麻省理工學(xué)院（MIT）及俄羅斯微電子科技研究所的研究人員。（記者：野澤 哲生）
