石墨烯自旋电子学：从科学到技术-第4页-北极星售电网

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石墨烯结构中消失的一个碳原子或空位都将产生自旋极化电子，由键上剥离四个电子，其中三个形成“悬挂”状态。两个悬挂键产生磁矩，但缺乏预言的π-magnetism的直接证据。

延长自旋寿命(Extending spin lifetime)

最大限度的延长自旋寿命是石墨烯自旋电子学应用的关键。理论预测纯石墨烯的自旋寿命在1微秒左右，而实验获得的数值在几十皮秒到几纳秒之间。石墨烯自旋寿命只有达到纳秒及以上，其自旋输运才应用于实际。两个数量级以上的差异是致命的，它表明自旋弛豫是外源性的，比如杂质、缺陷或是研究中的误差。

石墨烯自旋阀与二氧化硅基底隧道接触，已经实验观测到几纳秒的自旋寿命，但针孔连接测得的寿命远低于一纳秒。接触引起的自旋弛豫是一个关键因素。这可通过提高接触质量和是铁磁电极间距远大于块材石墨烯自旋相干长度来缩短。

尽管已有大量的理论研究，但对于石墨烯自旋弛豫的来源仍知之甚少。有两种机制可用于解释实验趋势。基于自旋轨道耦合及动量散射解释金属及半导体自旋电子的来源。自旋轨道耦合是指电子的自旋与其运动的相互作用，自旋与由原子核周围电子轨道产生的磁场间的相互作用导致了颗粒原子能级的改变。

问题是两种自旋弛豫机制都不成立。两者都预测有微秒级的寿命，但实验表明最大只有几纳秒。唯一与单层和双层石墨烯实验结果相吻合的机制是基于由局域磁矩引起的共振散射。该模型由雷根斯堡(Regensburg)的Fabian研究小组提出。

最近的研究结果表明，电子迁移率并不是限制自旋寿命的因素，石墨烯中带电粒子和杂质间的散射也不是自旋弛豫的主要影响因素。也就是说，确定自旋弛豫的主要来源对石墨烯研究人员来讲仍然是一个挑战。确定石墨烯自旋弛豫的来源将有助于提高其自旋寿命，甚至达到理论极限，这对基础科学和技术应用都具有重要的意义。

未来发展方向(Future directions)

发表于《自然˙纳米技术》(Nature Nanotechnology)的综述在结论中指出，Fabian及其同事认为利用自旋，石墨烯自旋转移力矩的逻辑器件可用于信息处理。目前，自旋逻辑器件是国际搬到图技术路线(International Technology Roadmap for Semiconductors)的组成部分，以期应用于未来计算机。

自旋逻辑器件包括可擦写芯片、晶体管、逻辑门、磁传感器以及用于量子计算的半导体纳米颗粒。最近发表的“石墨烯、相关二维晶体及其杂化体系的科学技术路线图”("Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid /systems.")讨论了以上那些应用以及其他石墨烯基自旋电子学应用。该路线图由欧洲石墨烯旗舰计划(Europe's Graphene Flagship)框架提出，欧洲石墨烯旗舰计划是由欧洲委员会(European Commission)资助的一个国际学术/工业组织，致力于石墨烯及其他层状材料的研发。

自旋电子学是一个相对年轻的研究领域，但近年来在石墨烯及相关材料长自旋寿命和扩散长度方面已经取得了重大进展。石墨烯旗舰计划的研究人员处于这一世界性研究的核心。