近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員鄭小宏小組與加拿大麥吉爾大學、山西大學等國內外單位合作，在基于二維垂直異質結獲得完全自旋極化電流的研究中取得新的進展。

 

如何獲得完全自旋極化輸運是自旋電子學的重要研究課題。二維材料中的自旋極化輸運，最早在具有鋸齒形邊沿的石墨烯納米帶中通過施加橫向電場得到，之后又相繼提出了多種手段，如邊沿修飾、B-N共摻雜等。這些研究手段可以分為利用電場調控和基于化學修飾兩類，但這兩類在石墨烯納米帶中實現完全自旋極化輸運的方案，存在實驗室無法達到高要求電場、不能精確控制摻雜或吸附位置等問題，或可能因鐵磁和反鐵磁態的能量差消失而不可觀測。尋找新途徑在石墨烯材料中實現完全自旋極化輸運的研究仍具有重要意義。

 

鄭小宏小組等研究人員提出了利用h-BN/graphene/h-BN二維垂直異質結構獲得完全自旋極化輸運。h-BN/graphene/h-BN通過AA堆積形成三明治式的垂直異質結構，中間層的鋸齒形graphene納米帶具有局域的邊沿態且分布在兩套不同的子晶格上，單獨的鋸齒形graphene納米帶是自旋簡并的，加上兩層BN后形成的h-BN/graphene/h-BN二維垂直異質結構產生了自旋劈裂。研究發現，BN層產生的stagger勢作用在graphene兩套不同的子晶格上，使得具有不同自旋的邊沿態能量沿著相反方向移動，因此自旋簡并被打破。其中，自旋向上的帶隙小于自旋向下的帶隙。然后利用線偏振光照射器件的中心區，選擇合適的光子能量使得只有一種自旋的電子從價帶躍遷到導帶。最后在較小的偏壓下（低于自旋向上的帶隙），導帶上被激發的電子向其中一個電極端流動，形成光電流。運用這種方案獲得的完全自旋極化輸運不依賴于層間距的變化（壓縮或拉伸）或者層與層之間的相對位置，且較好地避免了其它方法的缺陷。該研究不僅為石墨烯在自旋電子學中的應用提供了新的方案，還為拓展二維材料的應用領域和應用方式提供了新的思路。

 

相關研究成果發表在Nanoscale上。該研究得到了國家自然科學基金委、中科院超級計算中心合肥分中心等的資助。（來源：中國科學院合肥物質科學研究院）

 

 

圖1. (a) h-BN/graphene/h-BN垂直異質結構；(b) h-BN/graphene/h-BN垂直異質結構能帶圖

 

 

圖2.(a) BN納米帶作用在中間graphene層的有效勢；(b) 偏壓下，光電流隨光子能量變化