中國金宝搏入口188在二維鐵電Rashba半導體材料中取得新進展

近日，我(wo)系楊金(jin)龍教授課題(ti)組胡偉團(tuan)隊在(zai)二維鐵電Rashba材(cai)料領域取得(de)進展，研究(jiu)成(cheng)果以題為“High-Throughput Inverse Design for 2D Ferroelectric Rashba Semiconductors”發表在Journal of the American Chemical Society上。

自(zi)旋電子(zi)(zi)(zi)研究的(de)一個重(zhong)要領域是使用晶體管中的(de)電子(zi)(zi)(zi)自(zi)旋來傳(chuan)輸(shu)和處理信息。迄今(jin)為止(zhi)，在(zai)自(zi)旋邏(luo)輯、磁控自(zi)旋電子(zi)(zi)(zi)學和半導體自(zi)旋電子(zi)(zi)(zi)學領域，已經做出了許多努力來操縱編(bian)碼在(zai)自(zi)旋中的(de)信息。在(zai) Datta 和 Das 提(ti)出的自(zi)旋(xuan)場(chang)效應晶體管的開創性想法 30 多(duo)年后，許多(duo)實際限制仍(reng)然阻(zu)礙了(le)晶體(ti)管的(de)實施。由于磁(ci)性半導(dao)體(ti)需要低溫(wen)操作和外(wai)部磁(ci)場(chang)來(lai)控制自(zi)旋分布，希望找到非磁(ci)性半導(dao)體(ti)來(lai)操縱(zong)自(zi)旋電子(zi)器件(jian)中的(de)自(zi)旋，而無需磁(ci)場(chang)和鐵(tie)(tie)磁(ci)材料的(de)幫(bang)助。在(zai)這種情(qing)況下，一類(lei)新型(xing)的(de)鐵(tie)(tie)電 Rashba 半導體值得進一步(bu)探索，因(yin)為可以通過非易失性電控制的鐵電極(ji)化反轉來逆轉它們的自旋分布。

圖1 Rashba效應和鐵電性在二維材料中的設計原則(ze)。

楊(yang)金龍教授課題組胡偉團隊(dui)采用(yong)了逆向設計搜索了同時具有Rashba效(xiao)應和鐵電性(xing)的(de)二維非(fei)磁性(xing)半導體。首先，課題組定義(yi)了 Rashba 效應、鐵電性和共(gong)功能性的設計(ji)(ji)原則，并針(zhen)對實際應用優(you)化了(le)設計(ji)(ji)原則。導致Rashba效應(ying)和鐵(tie)電性(xing)能夠存在的必(bi)要共同設計原則(ze)包括(kuo)非(fei)中心對稱極性(xing)空間(jian)群和非(fei)零平面外(wai)偶極子。導(dao)致(zhi)Rashba效應能夠存在(zai)的獨特(te)必要(yao)設計(ji)原則(ze)是時間反演對(dui)稱性(xing)(xing)(xing)和非(fei)零自旋(xuan)軌道耦合效應，而(er)鐵電性(xing)(xing)(xing)的獨特(te)必要(yao)設計(ji)原則(ze)是兩個具(ju)有(you)相反鐵電極化的簡并基態(tai)和具(ju)有(you)非(fei)極性(xing)(xing)(xing)空(kong)間群的非(fei)極性(xing)(xing)(xing)過(guo)渡態(tai)。此外(wai)，優化設計(ji)原則(ze)包括(kuo)價帶(dai)頂或(huo)導帶(dai)底中的純 Rashba 效應、用于器件小型化的薄材料、可(ke)克服的鐵(tie)電能量勢壘。根據(ju)必要設計原則在二維材料數據(ju)庫(ku)中進行篩選后(hou)，課題組發(fa)現了(le) 30 個(ge)鐵電 Rashba 單層(ceng)材料、兩個純鐵電單層(ceng)材料和 97 個純(chun) Rashba 單(dan)層(ceng)材(cai)料。鐵電(dian) Rashba 半導體具有三種(zhong)類型的結(jie)構，包括 A2 P 2 X 6型（空間(jian)群P 31 m）、ABP 2 X 6（空間群P 3 ）和AB 型（空(kong)間群(qun)P 3 m 1）。

圖(tu)2 同時具有(you)Rashba效應和鐵電性的(de)二(er)維(wei)半導體材料的(de)篩選(xuan)流程。

然(ran)后，課(ke)題組進行(xing)高通量密度泛函理論(lun)計算(suan)研究(jiu)上述(shu)三種類型(xing)的結構。15個A 2 P 2 X 6單層、11個ABP 2 X 6單層和(he)47個(ge)AB單層在價帶頂或導帶底中具(ju)有(you)純Rashba效應。由于 AB 型(xing)是 2D 最薄的(de) Rashba 結構，我們進(jin)一步研究(jiu) AB 單層(ceng)，發現 14 個 AB 單層（AlBi、SiPb、TlP、GaSb、InSb、BBi、AlSb、GeSn、SiSn、GaAs、InAs、AlAs、InP 和 TlF ) 具有(you)可克服的(de)能(neng)量勢壘，這是有(you)前途的(de)鐵電 Rashba 半導體(ti)。特(te)別是，二維 AlBi 單層(ceng)具有最(zui)大的 Rashba 常數 (2.738 eV·?) 和相對較小的鐵電勢壘 (0.233 eV）。對(dui)于 2D 鐵(tie)電 Rashba 半導(dao)體，可(ke)以通過非(fei)易失性電控制切換(huan)鐵(tie)電極化來反(fan)轉自旋分(fen)布。因此(ci)，這個逆向設計的(de)成(cheng)果可(ke)以運(yun)用到(dao)自旋電子和邏輯器件(jian)上，例如自旋場效應管(guan)和雙(shuang)極存(cun)儲器件(jian)。

圖3 AlBi單層材料的鐵電(dian)雙(shuang)勢阱和電(dian)子結構。

Rashba常數(shu)計(ji)算和自(zi)旋分布(bu)可視(shi)化腳本已經(jing)集成到(dao)KSSOLV軟件(jian)中（Comput. Phys. Commun.2022, 279, 108424）。楊(yang)金龍教授課題組關于Rashba效應(ying)的相關(guan)工(gong)作：Nano Lett.2020, 21, 740?746; J. Phys. Chem. Lett.2021, 12, 12256?12268; J. Phys. Chem. Lett.2021, 12, 1932?1939; RSC Adv.2020, 10, 6388?6394。

188bet足球楊(yang)金(jin)龍(long)教(jiao)授和胡偉(wei)研究員為共同通訊作者(zhe)，化學(xue)院學(xue)生陳佳佳為第(di)一作者(zhe)。研究工作得到(dao)了(le)基金(jin)委、科技部和中科院等(deng)項目的資助。

文章鏈接：//pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c08827