基于二維垂直異質(zhì)結(jié)獲得完全自旋極化電流的研究進(jìn)展

基于二維垂直異質(zhì)結(jié)獲得完全自旋極化電流的研究進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員鄭小宏小組與加拿大麥吉爾大學(xué)、山西大學(xué)等國(guó)內(nèi)外單位合作，在基于二維垂直異質(zhì)結(jié)獲得完全自旋極化電流的研究中取得新的進(jìn)展。


如何獲得完全自旋極化輸運(yùn)是自旋電子學(xué)的重要研究課題。二維材料中的自旋極化輸運(yùn)，最早在具有鋸齒形邊沿的石墨烯納米帶中通過(guò)施加橫向電場(chǎng)得到，之后又相繼提出了多種手段，如邊沿修飾、B-N共摻雜等。這些研究手段可以分為利用電場(chǎng)調(diào)控和基于化學(xué)修飾兩類(lèi)，但這兩類(lèi)在石墨烯納米帶中實(shí)現(xiàn)完全自旋極化輸運(yùn)的方案，存在實(shí)驗(yàn)室無(wú)法達(dá)到高要求電場(chǎng)、不能精確控制摻雜或吸附位置等問(wèn)題，或可能因鐵磁和反鐵磁態(tài)的能量差消失而不可觀測(cè)。尋找新途徑在石墨烯材料中實(shí)現(xiàn)完全自旋極化輸運(yùn)的研究仍具有重要意義。

基于二維垂直異質(zhì)結(jié)獲得完全自旋極化電流的研究進(jìn)展

鄭小宏小組等研究人員提出了利用h-BN/graphene/h-BN二維垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)獲得完全自旋極化輸運(yùn)。h-BN/graphene/h-BN通過(guò)AA堆積形成三明治式的垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)，中間層的鋸齒形graphene納米帶具有局域的邊沿態(tài)且分布在兩套不同的子晶格上，單獨(dú)的鋸齒形graphene納米帶是自旋簡(jiǎn)并的，加上兩層BN后形成的h-BN/graphene/h-BN二維垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了自旋劈裂。


研究發(fā)現(xiàn)，BN層產(chǎn)生的stagger勢(shì)作用在graphene兩套不同的子晶格上，使得具有不同自旋的邊沿態(tài)能量沿著相反方向移動(dòng)，因此自旋簡(jiǎn)并被打破。其中，自旋向上的帶隙小于自旋向下的帶隙。然后利用線偏振光照射器件的中心區(qū)，選擇合適的光子能量使得只有一種自旋的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。最后在較小的偏壓下（低于自旋向上的帶隙），導(dǎo)帶上被激發(fā)的電子向其中一個(gè)電極端流動(dòng)，形成光電流。


運(yùn)用這種方案獲得的完全自旋極化輸運(yùn)不依賴于層間距的變化（壓縮或拉伸）或者層與層之間的相對(duì)位置，且較好地避免了其它方法的缺陷。


該研究不僅為石墨烯在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用提供了新的方案，還為拓展二維材料的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方式提供了新的思路。


相關(guān)研究成果發(fā)表在Nanoscale上。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院超級(jí)計(jì)算中心合肥分中心等的資助。

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