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我室在二维材料边沿态的调控研究方面取得系列新进展

近日,我室郑小宏研究员与加拿大麦吉尔大学、山西大学等单位合作,在基于二维材料边沿态的调控与器件设计研究中取得系列新的进展,相关结果分别发表在《应用物理快报》Appl. Phys. Lett. 108, 233106(2016))和《二维材料》(2D Materials 4, 025013 (2017))等刊物上。

边沿物理与边沿态诱导的现象一直是二维材料中引人关注的研究课题,最有趣的现象之一是由边沿态诱导的半金属性。这一性质意味着费米能级处电子输运的100%自旋极化,对自旋电子学极为重要。二维材料中的半金属性最早在具有锯齿形边沿的石墨烯纳米带中通过施加横向电场得到(Y. W. Son, et al., Nature 444, 347-349(2006)),之后又相继提出了多种手段,如边沿修饰(E. J. Kan, et al., J. Am. Chem. Soc. 130, 422(2008))BN/graphene异质结构(S. Dutta, et al., Phys. Rev. Lett. 102, 096601(2009))B-N共掺杂(X. H. Zheng, et al., J. Phys. Chem. C 114, 4190 (2010))等手段得以实现。近期研究发现,结构相似的单层SiC纳米带同样具有奇特的边沿态,且更为值得注意的是,具有锯齿形边沿的本征的SiC纳米带中,其反铁磁基态无需借助任何外在手段即表现出半金属性。然而遗憾的是,体系同时存在着一个能量非常接近的非半金属的铁磁态。这使得基态下的半金属性实际上难以观察到,也就意味着无法获得稳定的100%自旋极化的输运性质。

        反铁磁基态与铁磁态之间能量差太小是影响二维材料半金属性获得应用的重要问题,因为有限温度很容易促使体系在两态之间转变。本研究组曾对此问题专门进行了探讨并从材料电子结构的角度出发提出了一个基于边沿双氢化的解决方案(X. H. Zheng, et al., Phys. Rev. B 86, 081408(Rapid Communication) (2012))。然而这一方法对SiC体系并不适用。为了在SiC纳米带中获得稳定的100%自旋极化输运,且不依赖于边沿态的磁构型,课题组研究人员从器件设计的角度出发,提出阻断一边的边沿态,而仅让另一条边导电的“单边输运”思想。这一思想通过两种方案得以实现。一种是在边沿为C的一边用N原子替换一个边沿C原子,由于N杂质原子引起的强大散射势使得经由这一边的入射边沿态全部反射回去而不导电,另一边(边沿原子为Si的一边)的导电性则完全不受影响,从而得到100%自旋极化的电流。在另一种方案中,课题组研究人员将两根完全相同的SiC纳米带,一根纳米带旋转180°后的下边沿与另一根纳米带的上边沿相连接,结果发现,不仅可以实现电子的接近100%的完美透射,同时还可以获得单一自旋输运(100%自旋极化)。若第一根纳米带不旋转180°而做同样的连接,则透射将被完全阻止。分析发现,左右电极的动量匹配机制起了决定性的作用,这也首次提出了纳米尺度器件中,除能量匹配、自旋匹配、波函数对称性匹配之外的决定输运行为的又一新的机制。上述两种方案得到的单一自旋输运均不依赖于纳米带的磁构型。这些结果增加了人们对于边沿态属性的新认识,对基于二维材料边沿态的自旋电子器件设计具有重要的参考意义。

      以上研究得到了国家自然科学基金项目和国家留学基金委的资助。


两种不同连接方式的透射函数与散射态

不同连接方式下左右电极能带排布与散射过程中的动量匹配

文章链接:

http://dx.doi.org/10.1063/1.4953599

http://dx.doi.org/10.1088/2053-1583/aa598d

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