一種有趣的自旋輸運(yùn)調(diào)控機(jī)制--自旋分離器

0 1引言

自旋輸運(yùn)的調(diào)控一直是自旋電子學(xué)研究領(lǐng)域的中心課題。到目前為止，沿著這條路線兩個(gè)著名的發(fā)現(xiàn)是半金屬輸運(yùn)和純自旋流的預(yù)測(cè)，前者實(shí)現(xiàn)了100%自旋極化的單自旋輸運(yùn)，后者表征為兩個(gè)自旋通道非零均等概率、流向相反的零凈電荷電流，兩者均在自旋電子器件領(lǐng)域中引起了極大的關(guān)注。相比之下，如何將材料中空間重疊路徑上的兩個(gè)自旋通道分離成兩個(gè)孤立的分支，在終端同時(shí)獲得兩種自旋極化電流，在概念上要復(fù)雜得多，也更具有挑戰(zhàn)性。在這項(xiàng)工作中，我們基于鐵磁鋸齒型石墨烯納米帶右半部分的中心嵌入一個(gè) h-BN 構(gòu)建的雙界面異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件中實(shí)現(xiàn)了這一想法。

0 2成果簡(jiǎn)介 本項(xiàng)目基于基于密度泛函理論結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法，利用鴻之微Nanodcal軟件包，研究了基于鐵磁 11鏈寬鋸齒型石墨烯納米帶，以及一條 5鏈寬鋸齒型硼氮納米帶嵌入到其中心區(qū)右半部分所構(gòu)成的 h-BN/graphene橫向異構(gòu)器件的量子輸運(yùn)特性。散射態(tài)結(jié)果表明，h-BN的嵌入類似于一個(gè)完美的自旋分離器，即電子經(jīng)過(guò)中心區(qū)散射后，兩個(gè)空間路徑混合的自旋電流被分成兩個(gè)分支，每個(gè)分支承載一個(gè)自旋電子通道。通過(guò)對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)原子磁矩及電子特性的計(jì)算分析，揭示了界面效應(yīng)和邊緣效應(yīng)對(duì)納米帶的作用機(jī)制。考慮界面空位和界面無(wú)序的存在對(duì)本研究中所提出自旋分離器量子輸運(yùn)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)其僅對(duì)器件電子透射譜產(chǎn)生了些微的干擾，而兩個(gè)量子自旋通道始終穩(wěn)定存在。在上述基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論了自旋分離機(jī)制的普適性，在具有相似幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的鋸齒型鋁磷/硅烯納米帶雙邊橫向異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，類似于 h-BN，鋁、磷的存在打破了鋸齒型硅烯納米帶對(duì)稱性勢(shì)場(chǎng)，電子通過(guò)這一中心區(qū)時(shí)，同樣實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的自旋分離和 100%自旋極化輸運(yùn)。

0 3圖文導(dǎo)讀

圖 1 (a) h-BN/graphene 自旋分離器件模型圖; (b) 器件中心區(qū)的俯視圖; (c)和(d) 分別為器件自旋向上和自旋向下的透射函數(shù)以及相應(yīng)的電子散射態(tài)分布。

圖 2 (a) 雙探針器件模型(M0)，中心區(qū)域的上邊緣有一個(gè)長(zhǎng)為 12 條碳二聚體，寬為 8 條鋸齒碳鏈的矩形缺陷；(b)-(d) B-C 界面器件模型(M1)，N-C 界面器件模型(M2)和雙界面C3(BN)5C3 器件模型(M3)中心區(qū)俯視圖；(e)-(f) M0-M3 自旋相關(guān)透射函數(shù)

圖 3 M0-M3 自旋相關(guān)的電子散射態(tài)分布

圖 4 (a) 和 (b) B-C 界面和 N-C 界面異質(zhì)結(jié)單胞原子旋磁矩分布曲線；(c) 以 B-C 為例， 11-(NB)mCn 以及 11-ZGNR 電子能帶結(jié)構(gòu)；(d) 內(nèi)建電場(chǎng)作用模型；(e) 異質(zhì)結(jié)價(jià)帶和導(dǎo)帶邊沿態(tài)分布；(f) 考慮 h-BN 作用前后邊沿態(tài)導(dǎo)帶和價(jià)帶位置示意圖

圖 5 界面空位和界面無(wú)序?qū)ψ孕蛛x效應(yīng)的影響

圖 6自旋分離效應(yīng)的應(yīng)用拓展--以鋸齒型 ZAlPNR/ZSiNR 橫向異質(zhì)結(jié)為例

0 4小結(jié) 本項(xiàng)目通過(guò)鴻之微Nanodcal軟件計(jì)算h-BN/graphene 橫向異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)和量子輸運(yùn)特性，提出了一種有趣的自旋輸運(yùn)調(diào)控機(jī)制--自旋分離器。有別于僅能實(shí)現(xiàn)單自旋輸運(yùn)的傳統(tǒng)自旋過(guò)濾器件，該方案通過(guò) B-C 與 N-C 界面調(diào)控，不僅保留了單一界面異構(gòu)器件所具有的 100%自旋極化輸運(yùn)特性，而且能夠在空間上產(chǎn)生兩種自旋通道，同時(shí)獲得兩束自旋取向相反的完全自旋極化電流。這源于 B-C 和N-C界面極化效應(yīng)形成的方向相反的極化場(chǎng)，同時(shí)作用于被 h-BN納米帶隔開兩側(cè)窄 n-ZGNRs，使其具有不同自旋極性的半金屬豐度。此外，在異質(zhì)界面處存在空位缺陷或紊亂情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的自旋分離，為其在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性提供了一定的理論依據(jù)。該自旋分離器的設(shè)計(jì)理念不僅限于鋸齒型石墨烯納米帶，它可以推廣至其他具有相似幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的類石墨烯體系中。這一研究結(jié)果為低維自旋電子學(xué)器件中的自旋輸運(yùn)調(diào)控提供重要的借鑒意義。