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我室在基于二维垂直异质结构的自旋极化输运研究中取得新进展

 (文/陶茜茜)

       近日,我室郑小宏研究员小组与加拿大麦吉尔大学、山西大学等单位合作,在基于二维垂直异质结构获得完全自旋极化输运的研究中取得新的进展,相关结果发表在《Nanoscale》(Nanoscale 10, 174-183 (2018))上。

   如何获得完全自旋极化输运一直是自旋电子学中重要的研究课题。二维材料中的完全自旋极化输运特性,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))B-N共掺杂(X. H. Zheng, et al., J. Phys. Chem. C 114, 4190 (2010))等手段得以实现。这些研究手段可以分为两类:一类是利用电场调控,另一类是基于化学修饰。然而,基于电场调控或化学修饰在石墨烯纳米带中实现完全自旋极化输运的方案,要么实验室无法达到这么高的电场而难于实现,要么不能精确控制掺杂或吸附位置,或者使得铁磁和反铁磁态的能量差消失而不可观测。因此,寻找新的手段在石墨烯材料中实现完全自旋极化输运的研究仍然非常重要。

   为此,课题组研究人员基于第一性原理计算提出利用h-BN/graphene/h-BN二维垂直异质结构获得完全自旋极化输运。h-BN/graphene/h-BN通过AA堆积形成三明治式的垂直异质结构,中间层的锯齿形graphene纳米带具有局域的边沿态且分布在两套不同的子晶格上,单独的锯齿形graphene纳米带是自旋简并的,加上两层BN后形成的h-BN/graphene/h-BN二维垂直异质结构产生了自旋劈裂。研究发现,BN层产生的stagger势作用在graphene两套不同的子晶格上,使得具有不同自旋的边沿态能量沿着相反方向移动,因此自旋简并被打破。其中,自旋向上的带隙小于自旋向下的带隙。然后通过利用线偏振光照射器件的中心区,选择合适的光子能量使得只有一种自旋的电子从价带跃迁到导带。最后在较小的偏压下(低于自旋向上的带隙),导带上被激发的电子向其中一个电极端流动,形成光电流。这种方案获得的完全自旋极化输运不依赖于层间距的变化(压缩或拉伸)或者层与层之间的相对位置,且可以很好地避免其它方法的缺陷。这些结果不仅为石墨烯在自旋电子学中的应用提供了新的方案,同时也为拓展二维材料的应用领域和应用方式提供了新的思路。

   以上研究得到了国家自然科学基金项目和中科院超算中心合肥分中心的资助

文章链接:http://doi.org/10.1039/C7NR06159E

    1. (a) h-BN/graphene/h-BN垂直异质结构;(b) h-BN/graphene/h-BN垂直异质结构能带图。

2.(a) BN纳米带作用在中间graphene层的有效势;(b) 偏压下,光电流随光子能量变化。


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