Grafenowe (oraz podobne) nanostruktury dla spintroniki i kalorytroniki spinowej. Studia teoretyczne
Opis rezultatów projektu
Badania naukowe podjęte w ramach niniejszego projektu dotyczą poszukiwania nowych materiałów dla potrzeb nowoczesnej elektroniki. W związku z postępującą miniaturyzacją materiały te muszą być skalowalne, tj. zachowywać swoje własności fizyczne nawet gdy ich wymiary są rzędu nanometrów (1nm=10-9m) i zaczynają obowiązywać zasady mechaniki kwantowej. Ważne jest też, aby oprócz ładunku elektronu wykorzystać jego spin, co stwarza dodatkowe możliwości technologiczne. Mówimy wtedy o spintronice (magneto-elektronice), a w kontekście transportu ciepła – o kalorytronice spinowej.
Projekt ‘Harmonia’ realizowany był we współpracy IFM-PAN z UAM i Uniwersytetem Technicznym w Dreźnie (TUD). Partnerem wiodącym ze strony zagranicznej był prof. dr G. Cuniberti, światowej klasy specjalista w dziedzinie fizyki molekularnej i nanotechnologii. Prowadzone badania koncentrowały się na grafenie i strukturach grafenopodobnych. Podczas gdy grafen to płaska jednoatomowa warstwa węgla o strukturze plastra miodu, inne podobne struktury są na ogół quasi 2-wymiarowe (z pewne niewielkim przesunięcie sąsiednich atomów w kierunku prostopadłym do warstwy). Pokazano, że badane materiały posiadają interesujące własności fizyczne dla potencjalnych zastosowań w spintronice i kalorytronice spinowej. Z przeprowadzonych badań wynika, że istotną rolę odgrywają krawędziowe stany elektronowe w nanostrukturach w kształcie wąskich taśm lub płatków. Stany te mogą prowadzić do pojawienia się namagnesowania na krawędziach i zmiany własności przewodnictwa elektrycznego i cieplnego. Innym cennym wynikiem przeprowadzonych badań jest wyjaśnienie jakie mechanizmy fizyczne leżą u podstaw obserwowanych własności. Uwzględniono takie czynniki jak wewnątrzatomowe odpychanie kulombowskie, sprzężenie spin orbita, oraz obecność pola magnetycznego, elektrycznego i wpływ podłoża. Zbadano też wpływ niedoskonałości strukturalnych badanych nanostruktur, w tym wspomnianych już efektów brzegowych, granic między ziarnami w strukturach polikrystalicznych i tzw. antykropek (pustych obszarów). Wyjaśnienie wspomnianych wyżej kwestii sprawia, że projekt jest innowacyjny od strony naukowej, może on też mieć praktyczne znaczenie i przyczynić się do dalszego rozwoju spintroniki i kalorytroniki spinowej dzięki takim przewidzianym efektom jak gigantyczny magnetoopór i możliwość generowania silnie spolaryzowanego spinowo prądu, oraz dużej wartość tzw. współczynnika dobroci (ZT), co np. w przypadku silicenu (quasi 2-wymiarowy krzem) stwarza możliwość skonstruowania nowych nanoskopowych urządzeń termoelektrycznych.
Uzyskane wyniki mogą przyczynić się do szybszego rozwoju nowych energooszczędnych technologii, a przez to do ochrony środowiska naturalnego i do wzrostu gospodarczego.