【儀表網 研發快訊】自旋電子學是通過對晶體管中電子自旋角動量的有效操縱，實現自旋信息的存儲、傳輸和處理，被視為未來信息技術發展的重要方向之一;而自旋軌道耦合效應則提供了一種通過外電場調控電子軌道運動進而控制電子自旋狀態的重要途徑。對于結構反演對稱性破缺的體系，靜電勢梯度引發的自旋軌道耦合作用會導致能帶劈裂，形成一對自旋 -動量鎖定且自旋方向相反的能帶結構，即文獻中提到的Rashba效應，這也是自旋電子學中的重要物理效應之一。有趣的是，鐵電極化也往往源于晶體中心對稱性的破缺，表現出自發和可切換的自旋極化。這些物理現象引發了研究人員對開發鐵電型Rashba半導體這一新型自旋電子學材料的興趣，即利用外電場控制鐵電極化反轉來調控自旋角動量。以往的研究主要集中在尋找Rashba效應和鐵電性共存的單一材料，然而這些材料的Rashba效應相對較小，難以在實驗中觀察到明顯的自旋劈裂。
針對以上問題，中國科學院上海高等研究院(上海光源中心)的梁兆峰/宋飛研究員團隊提出基于面外極化二維鐵電體和二維層狀材料構建具有強界面相互作用的范德瓦爾斯異質結，不僅能夠實現對鐵電性質的調控，還能顯著增強Rashba自旋劈裂效應。相關成果發表在凝聚態物理知名期刊Physical Review B上，題為“Ferroelectric manipulation and enhancement of Rashba spin splitting in van der Waals heterostructures”(Phys. Rev. B.110, 085110)。
研究團隊選取了實驗上已合成的MX/α-In2Se3(MX = GaTe和InSe)體系，利用第一性原理計算和k·p哈密頓方法，揭示了其Rashba自旋軌道耦合效應的鐵電調控和增強的物理機制。研究發現，在GaTe/α-In2Se3異質結中，最低導帶在Gamma點表現出顯著增強的自旋劈裂，其Rashba系數在鐵電極化向上和向下兩種狀態下，相較于單層α-In2Se3材料分別增強了約7倍和3倍。這種增強效應來源于層間電荷轉移和鏡像對稱性破缺形成的強界面相互作用。這一鐵電調控和增強機制也適用于其它具有相同對稱性的體系。此外，基于具有四種可切換鐵電極化狀態的α-In2Se3/GaTe/α-In2Se3夾層結構，進一步驗證了鐵電極化切換可作為調控Rashba自旋軌道耦合效應的開關和增強的一個自由度。此項研究證明了二維范德瓦爾斯異質結作為潛在鐵電型Rashba半導體的可行性，并對其在自旋電子器件中的潛在應用提供了重要的理論指導。
論文的第一作者是上海高等研究院上海光源中心在讀博士生梁兆峰，主要通訊作者是上海高等研究院宋飛研究員，合作通訊作者是北京航空航天大學杭州國際創新研究院的華陳強副研究員。此外，浙江工業大學的王垚副教授和張金森博士在輸運性質計算上提供了支持和幫助。本項工作還得到了中科院建制化中心、科技部重點研發計劃和自然科學基金項目的資助。
圖1. 二維異質結中Rashba自旋軌道耦合效應的鐵電調控和增強示意圖
圖2. GaTe (InSe)/α-In2Se3異質結的能帶結構與其最低導帶的Rashba自旋紋理
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