01 引言

純自旋電流是自旋電子學發(fā)展所需要研究的一項關(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有焦耳熱，低功率的，近年來理論和實驗上報道了利用純自旋電流驅(qū)動的磁化開關(guān)、自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器和自旋轉(zhuǎn)移隨機存取存儲器等研究工作。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)動力，受到了廣泛的關(guān)注。特別是在缺乏中心反轉(zhuǎn)對稱的系統(tǒng)中，可以產(chǎn)生由光照誘導的光電流，而不需要施加偏置電壓，這被稱為光生電流（PG）效應(yīng)。近年來有大量研究報道了在二維自旋極化體系中可以通過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，很難在實際應(yīng)用中推廣。最近有研究表明在具有空間反演對稱性的系統(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體工業(yè)的良好兼容性，被認為是設(shè)計未來電子器件的一個有前途的候選材料。理論和實驗證明了氫化是一種有效的方法來改變二維硅烯的性質(zhì)，如打開帶隙，可調(diào)的光學性質(zhì)和有趣的鐵磁活性等。近年來，氫化硅烯也引起了實驗的極大興趣，硅烯和半硅烷的有序可逆氫化已經(jīng)成功實現(xiàn)，這為控制硅烯的靈活氫化覆蓋范圍和電子性質(zhì)提供了機會。在本工作中，我們介紹了一種在具有空間反演對稱性的二維半硅烷光電流器件中通過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)對稱性的半硅烷在自旋電子學中是一種很有前途的材料。

02 成果簡介

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）方法對具有空間反演對稱結(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)；計算結(jié)果表明， 在Zigzag方向和Armchair方向具有空間反演對稱結(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；同時還發(fā)現(xiàn)，由于半硅烷固有結(jié)構(gòu)上的各向異性，導致其產(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中的進一步應(yīng)用提供了新的可能性，并且對設(shè)計新型低功耗自旋電子器件提供了一種可行的方案。

03 圖文導讀

圖1 （a）左右雙探針單層半硅烷光電探測器模型。單層半硅烷光電探測器在鋸齒形方向（b和c）和扶手椅方向（d和e）的側(cè)視圖和俯視圖。這兩個引線沿著z方向延伸到±∞。中心散射區(qū)域具有空間反演對稱性，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。

圖2 半硅烷的能帶結(jié)構(gòu)：（a）左引線；（b）右引線。每個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°時線偏振光（a和c）和φ = 45°時橢圓偏振光（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)生的物理過程示意圖。紅色和藍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 鴻之微量子輸運計算軟件 Nanodcal 研究了具有空間反演對稱結(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)獨特的自旋半導體特性和對稱性，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中的應(yīng)用提供了潛在的理論依據(jù)，并證實了一種通過 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