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，我系楊金龍教授課(ke)題(ti)組胡偉(wei)團(tuan)隊在二(er)維鐵電(dian)Rashba材料(liao)領域取得進展，研究(jiu)成果以題為“High-Throughput Inverse Design for 2D Ferroelectric Rashba Semiconductors”發表在Journal of the American Chemical Society上(shang)。

自(zi)旋電(dian)(dian)(dian)子(zi)研(yan)究的一個重要領(ling)域(yu)(yu)是使用晶(jing)體管(guan)中(zhong)的電(dian)(dian)(dian)子(zi)自(zi)旋來傳輸和(he)處理信(xin)息。迄(qi)今為(wei)止(zhi)，在自(zi)旋邏輯、磁控自(zi)旋電(dian)(dian)(dian)子(zi)學和(he)半導體自(zi)旋電(dian)(dian)(dian)子(zi)學領(ling)域(yu)(yu)，已經做(zuo)出(chu)了許(xu)多努力來操縱編(bian)碼在自(zi)旋中(zhong)的信(xin)息。在 Datta 和(he) Das 提出(chu)的自旋(xuan)場效應晶(jing)體管的開創性想法(fa) 30 多年后，許多實(shi)際限(xian)制(zhi)仍然阻礙了(le)晶體(ti)管的(de)(de)(de)實(shi)施。由(you)于磁(ci)性(xing)(xing)半(ban)導(dao)體(ti)需要(yao)低溫(wen)操作(zuo)和外部磁(ci)場來控(kong)制(zhi)自旋分布，希望找到非磁(ci)性(xing)(xing)半(ban)導(dao)體(ti)來操縱自旋電子器(qi)件中的(de)(de)(de)自旋，而無需磁(ci)場和鐵磁(ci)材料的(de)(de)(de)幫(bang)助。在這(zhe)種情況下，一類(lei)新型的(de)(de)(de)鐵電 Rashba 半導體值得(de)進一步探索(suo)，因(yin)為可(ke)以(yi)通過非易失性電(dian)控制的鐵電(dian)極(ji)化反轉來逆轉它們的自(zi)旋分布。

圖1 Rashba效應和鐵電性(xing)在(zai)二(er)維材料中的設計原則。

楊金龍教(jiao)授課題組(zu)胡(hu)偉(wei)團隊采用了(le)(le)逆向設(she)計搜索了(le)(le)同(tong)時具有Rashba效應和鐵電性的二(er)維非磁性半導體。首(shou)先，課(ke)題組(zu)定義了 Rashba 效應(ying)、鐵電性和共(gong)功能(neng)性的設(she)計原則，并(bing)針對實際應(ying)用優化了設(she)計原則。導致Rashba效(xiao)應(ying)和(he)鐵電性(xing)能夠(gou)存(cun)在的必要共同設計原則包括非中(zhong)心對稱(cheng)極(ji)性(xing)空間群和(he)非零平(ping)面外(wai)偶(ou)極(ji)子。導(dao)致(zhi)Rashba效(xiao)應能夠存在的(de)獨特必要設(she)計原則是時間反(fan)演對稱性和(he)非(fei)(fei)零自旋(xuan)軌道(dao)耦合效(xiao)應，而鐵電性的(de)獨特必要設(she)計原則是兩個具(ju)有(you)相反(fan)鐵電極(ji)化的(de)簡(jian)并基態和(he)具(ju)有(you)非(fei)(fei)極(ji)性空(kong)間群的(de)非(fei)(fei)極(ji)性過渡態。此外，優化設(she)計原則包括(kuo)價帶(dai)頂或導(dao)帶(dai)底中的(de)純 Rashba 效應、用(yong)于器件小型化(hua)的薄(bo)材(cai)料、可(ke)克服的鐵電(dian)能量(liang)勢(shi)壘。根據必要設計原則在二維材(cai)料數據庫中進行篩(shai)選后(hou)，課題組發現了 30 個鐵電 Rashba 單(dan)層材料(liao)、兩個純(chun)鐵(tie)電單(dan)層材料(liao)和(he) 97 個純 Rashba 單層材料。鐵電 Rashba 半(ban)導體具有(you)三種(zhong)類型的結(jie)構，包(bao)括(kuo) A2 P 2 X 6型（空(kong)間(jian)群P 31 m）、ABP 2 X 6（空(kong)間群P 3 ）和AB 型（空間(jian)群P 3 m 1）。

圖2 同時具有(you)Rashba效應和鐵電性的二維半導體(ti)材(cai)料的篩選流程。

然后(hou)，課題組進行高通量(liang)密度泛函理論計算(suan)研究(jiu)上(shang)述三種(zhong)類型的結構。15個A 2 P 2 X 6單層(ceng)、11個ABP 2 X 6單層(ceng)和47個AB單層在價(jia)帶(dai)(dai)頂或導帶(dai)(dai)底中具有純(chun)Rashba效應。由于(yu) AB 型是(shi) 2D 最薄的(de) Rashba 結構，我們進一步研究 AB 單層，發(fa)現 14 個 AB 單層(ceng)（AlBi、SiPb、TlP、GaSb、InSb、BBi、AlSb、GeSn、SiSn、GaAs、InAs、AlAs、InP 和 TlF ) 具有可克服的能量勢(shi)壘(lei)，這是有前(qian)途的鐵電 Rashba 半導體。特別是，二(er)維(wei) AlBi 單層具有最大的 Rashba 常數 (2.738 eV·?) 和相對較小的鐵電勢壘 (0.233 eV）。對于 2D 鐵(tie)電(dian) Rashba 半導體，可以通過(guo)非易失(shi)性電(dian)(dian)控制切換鐵電(dian)(dian)極(ji)化來反轉(zhuan)自旋(xuan)分布(bu)。因此，這個逆向(xiang)設計的成果可以運用到自旋(xuan)電(dian)(dian)子和邏輯器(qi)件上(shang)，例如自旋(xuan)場效應管和雙(shuang)極(ji)存儲器(qi)件。

圖(tu)3 AlBi單層(ceng)材料的鐵(tie)電雙勢(shi)阱(jing)和電子(zi)結構。

Rashba常(chang)數計算和自旋分布可視化腳本已經(jing)集成到(dao)KSSOLV軟(ruan)件中（Comput. Phys. Commun.2022, 279, 108424）。楊(yang)金龍教授(shou)課(ke)題組關(guan)于Rashba效(xiao)應(ying)的相(xiang)關工作(zuo)：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(he)胡偉研究員為共同通訊(xun)作者，化學院學生陳佳佳為第一作者。研究工作得到了基金(jin)委、科技部(bu)和(he)中(zhong)科院等項目(mu)的資助。

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