假设我们能制造出某种类似于非易失性晶体管的磁电装置，这种特殊装置能仅依靠施加的电压实现对材料磁特性的准确控制，无疑将对破茧待出的自旋电子学发挥“二两拨千斤”的积极促进作用。众所周知，石墨烯是一种高磁导率的二维碳片，同磁电氧化铬协同作用具备“神奇”功能，近期来自美国的研究小组正在通过开发制造一种装有“神奇材料”石墨烯的器件，该器件理论预计将以极低的功率运行，具备优异的非易失性开关电流比和高于室温的电流可控自旋极化特性。该器件的成功开发为磁电装置的制造起到了先决作用。

细通道导体/半导体（蓝色）均适应于该器件的制造生产（例如InAs，GaSb，PbS，HfS3，HfSe3，BiSe3等材料）。细窄通道导体仍将通过自旋极化接近的高界面极化具备磁电效应，图示绿色区域为介质磁电，在介质磁电的顶部存在栅电极。另外此装置拥有铁磁源和漏极的顶端控磁电旋转FET设备。图片来源：P Dowbe

自旋电子学是主要依靠电子自旋以及电荷特征的技术学，旋转又可分为上旋和下旋。加之相比于传统的电子设备仅依靠存储和转换电荷实现对设备信息的储存，新的自旋属性可存储处理设备中的信息显著存在精确且高效的优点，原因在于使用自旋法处理信息和存储信息所消耗的能量需求较小。

然而，要想保持与硅技术的“良好竞争性”，研究者尚需开发一种可通过施加电场或使用电流来驱动开关的新方法，取代传统磁场翻转自旋，避免磁场翻转自旋带去更高能量得消耗浪费。磁电材料指仅使用电场便可控制电子自旋的一类关键材料，但是电磁材料在室温下几乎难以工作且制作条件很难达到。

氧化铬在石墨烯中诱导自旋极化

近期，来自内布拉斯加-林肯大学的Peter Dowben所领导的研究小组发现，外部电压可用来控制与氧化铬所接触的微量石墨烯的磁性能。尽管这种氧化物在反铁磁体中未被净磁化，但其晶体[0001]表面明显存在的磁矩，其磁矩方向可通过所施加电场操纵反转。另外氧化铬的表面自旋极化即使被覆盖层所掩埋也保持恒定不变，这表明研究者可利用邻近效应与交换耦合来诱导相邻石墨烯层中的自旋极化。

研究团队通过用扫描探针显微镜和拉曼光谱实验来进行观察和研究，揭示两种材料之间如何实现电荷转移以及石墨烯至p型掺杂完整过程。研究者还发现在材料的费米能级（确定哪些能级被全部占据或部分占据以及没有被电子占据）上存在150兆电子伏的变化。

证实结论

研究人员使用密度泛函理论计算证实了相关结论，同时表明尽管电荷转移相对微弱，但确信在石墨烯费米能级附近引起的自旋极化非常显著。研究人员说道：“研究成果意味着有望在材料体系中获得极大的电控自旋电流。”

Dowben解释道：“自然态的石墨烯是无磁矩、弱自旋轨道耦合。若要利用此种材料开发自旋电子学器件，仍需对石墨烯的电子自旋极化与电荷迁移率进行深层次研究学习。即使以往研究首要考虑借助缺陷工程引入碳片上磁矩以及样品的电荷迁移率问题，但研究者对另辟蹊径以解决问题拥有很大信心。

通过，他补充：“采用特殊的方法，研究者利用石墨烯基于与相邻功能介质的界面协同作用，在保证引起石墨烯高自旋极化同时，还具备高电荷迁移率。”

该团队在Appl物理学快报111 182402期中对此项研究成果进行发表。该团队的研究人员主要来自内布拉斯加州林肯大学，布法罗大学，合肥中国科学技术大学和奥马哈内布拉斯加大学等世界顶尖学府。

原文来自：nanotechweb，由材料科技在线团队翻译整理。