半導體所等在手性分子產生自旋極化研究的進展

利用手性與自旋極化的相互轉換產生自旋流是近年來自旋電子學領域的研究熱點，相關現(xiàn)象被稱之為“手性誘導自旋選擇性”（Chirality-Induced Spin Selectivity, CISS）。CISS在自旋電子學器件中具有潛在的應用價值和豐富的物理內涵，但是手性與自旋極化相互轉換的微觀機理一直是激烈爭論的科學問題。

佛羅里達州立大學熊鵬教授團隊與中國科學院半導體研究所趙建華研究員團隊合作，以“磁性半導體/手性分子/非磁性金屬”為核心構建自旋閥器件（圖1），系統(tǒng)研究了具有不同自旋軌道耦合強度的金屬電極對器件磁電導的影響，揭示了手性與電子自旋極化的轉換機理。

具體而言，當非磁性金屬為具有強自旋軌道相互作用的Au電極時，能觀察到顯著的類自旋閥信號；而當非磁性金屬為Al電極時，類自旋閥信號則減小了約一個數(shù)量級（圖2）。

魏茨曼科學研究所顏丙海教授從理論上指出，手性分子的結構不對稱性使得電子產生軌道極化，而具有強自旋軌道耦合的非磁性金屬電極進一步將電子的軌道極化轉換為電子的自旋極化。在此基礎上，該合作團隊發(fā)展出一個勢壘可調的隧穿模型，很好地對實驗數(shù)據(jù)進行了定量解釋。

值得指出的是，高質量的磁性半導體(Ga,Mn)As薄膜在這項工作中發(fā)揮了關鍵作用。實際上，前期的類似工作未能給出令人信服的實驗數(shù)據(jù)，其主要原因在于自組裝的手性分子隧穿勢壘層不可避免地存在孔洞等缺陷，從而導致“磁性金屬/手性分子/金屬”自旋閥器件短路失效。

而在分子和金屬電極間加一層薄的氧化絕緣層的方法又會增加器件本身的復雜性。將磁性金屬換成磁性半導體(Ga,Mn)As，由于金屬/半導體肖特基勢壘的存在，上述問題得到了有效解決。此外，(Ga,Mn)As可以通過應變將其調控為垂直各向異性材料，為觀測到清晰可靠的自旋閥信號提供了保障。

該工作以“Interplay of structural chirality, electron spin and topological orbital in chiral molecular spin valves”為題近日發(fā)表于Nature Communications。佛羅里達州立大學Yuwaraj Adhikari博士生和柳天寒博士為論文的共同第一作者，半導體所趙建華研究員、魏茨曼科學研究所顏丙海教授和佛羅里達州立大學熊鵬教授為共同通訊作者，半導體所王海龍副研究員也為本工作做出重要貢獻。

這項工作建立在該合作團隊前期構建“手性分子/半導體”自旋閥器件的基礎上。他們通過系統(tǒng)研究自旋閥信號對電流和電壓的依賴行為，為建立合理的物理模型提供了實驗基礎。相關工作以“Linear and Nonlinear Two-Terminal Spin- Valve Effect from Chirality-Induced Spin Selectivity”為題發(fā)表于ACS NANO14, 15983 (2020)。

上述工作得到了科技部、中國科學院和國家自然科學基金委的項目經費資助。

圖1 (a) 手性分子產生電子自旋極化的機理示意圖。(b,c) 垂直自旋閥的器件結構示意圖和掃描電鏡圖。

圖2 非磁性金屬為 (a) Au和 (b) Al 對應的類自旋閥信號。

審核編輯：劉清