01 引言

純自旋電流是自旋電子學(xué)發(fā)展所需要研究的一項(xiàng)關(guān)鍵課題，它的主要特征是具有自旋相關(guān)的光電流和零電荷電流。由于純自旋電流是沒(méi)有焦耳熱，低功率的，近年來(lái)理論和實(shí)驗(yàn)上報(bào)道了利用純自旋電流驅(qū)動(dòng)的磁化開(kāi)關(guān)、自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器和自旋轉(zhuǎn)移隨機(jī)存取存儲(chǔ)器等研究工作。到目前為止，已經(jīng)提出了幾種產(chǎn)生純自旋電流的方法，如光學(xué)注入、自旋霍爾效應(yīng)、非局域自旋注入、在三端器件中產(chǎn)生和動(dòng)態(tài)自旋注入等。

光照作為納米系統(tǒng)中產(chǎn)生谷電流和調(diào)制自旋的有效驅(qū)動(dòng)力，受到了廣泛的關(guān)注。特別是在缺乏中心反轉(zhuǎn)對(duì)稱的系統(tǒng)中，可以產(chǎn)生由光照誘導(dǎo)的光電流，而不需要施加偏置電壓，這被稱為光生電流（PG）效應(yīng)。近年來(lái)有大量研究報(bào)道了在二維自旋極化體系中可以通過(guò)PG效應(yīng)產(chǎn)生純自旋電流。然而，大多數(shù)工作中純自旋電流只能在特定的偏振/相位角或特定的光子能量（Eph）下產(chǎn)生，很難在實(shí)際應(yīng)用中推廣。最近有研究表明在具有空間反演對(duì)稱性的系統(tǒng)中，可以得到魯棒的純自旋電流，且純自旋電流的產(chǎn)生對(duì)光子能量、偏振/相位角和偏振類型不敏感。這些研究主要集中在一維石墨烯納米帶等體系中，如果純自旋電流可以通過(guò)PG效應(yīng)在其他低維系統(tǒng)中產(chǎn)生，那將是非常有趣的。

二維硅烯因其優(yōu)異的性能以及與硅基半導(dǎo)體工業(yè)的良好兼容性，被認(rèn)為是設(shè)計(jì)未來(lái)電子器件的一個(gè)有前途的候選材料。理論和實(shí)驗(yàn)證明了氫化是一種有效的方法來(lái)改變二維硅烯的性質(zhì)，如打開(kāi)帶隙，可調(diào)的光學(xué)性質(zhì)和有趣的鐵磁活性等。近年來(lái)，氫化硅烯也引起了實(shí)驗(yàn)的極大興趣，硅烯和半硅烷的有序可逆氫化已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)，這為控制硅烯的靈活氫化覆蓋范圍和電子性質(zhì)提供了機(jī)會(huì)。在本工作中，我們介紹了一種在具有空間反演對(duì)稱性的二維半硅烷光電流器件中通過(guò)PG效應(yīng)產(chǎn)生魯棒的純自旋電流的方法。該裝置由單層硅烯構(gòu)成，其中一半在上表面氫化，另一半在下表面氫化。有趣的是，這兩個(gè)部分的磁性完全相反。在偏振光照射下，沿器件的鋸齒形方向和扶手椅方向都獲得了穩(wěn)健的純自旋電流并且純自旋電流的行為具有各向異性。這種魯棒純自旋電流的產(chǎn)生表明具有空間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性的半硅烷在自旋電子學(xué)中是一種很有前途的材料。

02 成果簡(jiǎn)介

利用第一性原理方法及非平衡態(tài)格林函數(shù)-密度泛函理論（NEGF-DFT）方法對(duì)具有空間反演對(duì)稱結(jié)構(gòu)的半硅烷體系的電子性質(zhì)、磁性和光電流行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究發(fā)現(xiàn)，半硅烷體系展現(xiàn)出很好的電子性質(zhì)、磁性質(zhì)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)；計(jì)算結(jié)果表明， 在Zigzag方向和Armchair方向具有空間反演對(duì)稱結(jié)構(gòu)的半硅烷兩端口自旋光電器件中具有顯著的自旋PGE效應(yīng)，其可以產(chǎn)生穩(wěn)定魯棒的純自旋電流，且純自旋流的產(chǎn)生不依賴于光子的能量、光的偏振類型或偏振角；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，由于半硅烷固有結(jié)構(gòu)上的各向異性，導(dǎo)致其產(chǎn)生的純自旋電流也具有各向異性。上述研究為二維半硅烷在自旋電子學(xué)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了新的可能性，并且對(duì)設(shè)計(jì)新型低功耗自旋電子器件提供了一種可行的方案。

03 圖文導(dǎo)讀

圖1 （a）左右雙探針單層半硅烷光電探測(cè)器模型。單層半硅烷光電探測(cè)器在鋸齒形方向（b和c）和扶手椅方向（d和e）的側(cè)視圖和俯視圖。這兩個(gè)引線沿著z方向延伸到±∞。中心散射區(qū)域具有空間反演對(duì)稱性，O為反演中心。射線（螺旋箭頭）沿y方向照射到中心散射區(qū)。黑色虛線框是本文研究的周期單位。θ為極化/相位角，e為電磁矢量勢(shì)。

圖2 半硅烷的能帶結(jié)構(gòu)：（a）左引線；（b）右引線。每個(gè)氫化硅原子沿鋸齒形方向的幾何結(jié)構(gòu)和自旋方向（c）左引線和（d）右引線。

圖3 鋸齒形方向和扶手椅方向的自旋相關(guān)光響應(yīng)Rβ （β =↑，↓）和總電荷光響應(yīng)RC。θ = 45°時(shí)線偏振光（a和c）和φ = 45°時(shí)橢圓偏振光（b和d）照射下光響應(yīng)隨光子能量的變化。

圖4 線偏振光（a和c）和橢圓偏振光（b和d）在鋸齒字形方向和扶手椅方向上的光響應(yīng)隨偏振角和相位角的變化。

圖5 純自旋電流產(chǎn)生的物理過(guò)程示意圖。紅色和藍(lán)色螺旋箭頭分別表示自旋向上和自旋向下分量。

04 小結(jié)

本文利用 鴻之微量子輸運(yùn)計(jì)算軟件 Nanodcal 研究了具有空間反演對(duì)稱結(jié)構(gòu)的半硅烷體系的電子性質(zhì)、磁性和光電流行為。由于系統(tǒng)獨(dú)特的自旋半導(dǎo)體特性和對(duì)稱性，在線性偏振光和橢圓偏振光的照射下，可以在鋸齒形和扶手椅方向上穩(wěn)健地產(chǎn)生純自旋電流，且純自旋流的產(chǎn)生不依賴于光子的能量、偏振光的類型或偏振角。本工作為半硅烷材料在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用提供了潛在的理論依據(jù)，并證實(shí)了一種通過(guò) PG 效應(yīng)產(chǎn)生純自旋電流的有前景的方法。

審核編輯：郭婷