Fabricação de dispositivos com contato túnel para spintrônica em grafeno

Abstract

Neste trabalho é apresentado em detalhe a fabricação de dispositivos com contato túnel em grafeno, com foco nas caracterizações físico-químicas de barreiras túnel de Al2O3, crescidas sobre grafeno. Uma investigação detalhada das interfaces Co/Al2O3/grafeno é apresentada. Técnicas de caracterização tais como Raman, AFM, HRTEM, STEM, EDX, EELS são utilizadas, assim como processos de nanofabricação de dispositivos via litografia por feixe de elétrons. Os resultados mostram o crescimento de barreira via nucleação de clusters tipo Volmer-Weber e a existência de contatos Co/grafeno via pinholes através da barreira. A fabricação de barreiras finas com espessura nominal de 1 nm resulta no recobrimento parcial do grafeno por camadas com espessura atingindo cerca de 4 nm. A espessura mínima de barreira para a cobertura total da superfície do grafeno é alcançada através da deposição nominal de uma camada de Al2O3 de 3 nm. A caracterização elétrica dos contatos apresenta um caráter assimétrico, semelhante a um diodo túnel, sendo resultante de componentes de contato túnel, associadas a possível formação de cargas e, também, condução via pinholes, assim como efeitos da geometria dos contatos.

In this work, we report the devices constructions and a detailed investigation of the structural and chemical characteristics of thin evaporated Al2O3 tunnel barriers of variable thickness grown onto single-layer graphene sheets. Advanced electron microscopy (HRTEM, STEM) and spectrum-imaging techniques were used to investigate the Co/Al2O3/graphene/SiO2 interfaces. Direct observation of pinhole contacts was achieved using FIB cross-sectional lamellas. Spatially resolved EDX spectrum profiles confirmed the presence of direct point contacts between the Co layer and the graphene. The chemical nature of the Al2O3 barriers was also analyzed using electron energy loss spectroscopy (EELS). On the whole, the high surface diffusion properties of graphene led to Volmer-Weber-like Al2O3 film growth, limiting the minimal possible thickness for complete barrier coverage onto graphene surfaces using standard Al evaporation methods. The results indicate a minimum thickness of nominally 3 nm Al2O3, resulting in a 0.6 nm rms rough film with a maximum thickness reaching 5 nm. The electrical characterization of the device contacts seems to be a resultant of tunneling contact behavior associated to charge trapping,pinhole contacts and geometry of the contacts.