具有自旋相关的光电流和零电荷电流的应用研究

01 引言

纯自旋电流是自旋电子学发展所需要研究的一项关键课题，它的主要特征是具有自旋相关的光电流和零电荷电流。由于纯自旋电流是没有焦耳热，低功率的，近年来理论和实验上报道了利用纯自旋电流驱动的磁化开关、自旋转矩振荡器和自旋转移随机存取存储器等研究工作。到目前为止，已经提出了几种产生纯自旋电流的方法，如光学注入、自旋霍尔效应、非局域自旋注入、在三端器件中产生和动态自旋注入等。

光照作为纳米系统中产生谷电流和调制自旋的有效驱动力，受到了广泛的关注。特别是在缺乏中心反转对称的系统中，可以产生由光照诱导的光电流，而不需要施加偏置电压，这被称为光生电流（PG）效应。近年来有大量研究报道了在二维自旋极化体系中可以通过PG效应产生纯自旋电流。然而，大多数工作中纯自旋电流只能在特定的偏振/相位角或特定的光子能量（Eph）下产生，很难在实际应用中推广。最近有研究表明在具有空间反演对称性的系统中，可以得到鲁棒的纯自旋电流，且纯自旋电流的产生对光子能量、偏振/相位角和偏振类型不敏感。这些研究主要集中在一维石墨烯纳米带等体系中，如果纯自旋电流可以通过PG效应在其他低维系统中产生，那将是非常有趣的。

二维硅烯因其优异的性能以及与硅基半导体工业的良好兼容性，被认为是设计未来电子器件的一个有前途的候选材料。理论和实验证明了氢化是一种有效的方法来改变二维硅烯的性质，如打开带隙，可调的光学性质和有趣的铁磁活性等。近年来，氢化硅烯也引起了实验的极大兴趣，硅烯和半硅烷的有序可逆氢化已经成功实现，这为控制硅烯的灵活氢化覆盖范围和电子性质提供了机会。在本工作中，我们介绍了一种在具有空间反演对称性的二维半硅烷光电流器件中通过PG效应产生鲁棒的纯自旋电流的方法。该装置由单层硅烯构成，其中一半在上表面氢化，另一半在下表面氢化。有趣的是，这两个部分的磁性完全相反。在偏振光照射下，沿器件的锯齿形方向和扶手椅方向都获得了稳健的纯自旋电流并且纯自旋电流的行为具有各向异性。这种鲁棒纯自旋电流的产生表明具有空间反转对称性的半硅烷在自旋电子学中是一种很有前途的材料。

02 成果简介

利用第一性原理方法及非平衡态格林函数-密度泛函理论（NEGF-DFT）方法对具有空间反演对称结构的半硅烷体系的电子性质、磁性和光电流行为进行了系统研究。研究发现，半硅烷体系展现出很好的电子性质、磁性质、结构性质；计算结果表明， 在Zigzag方向和Armchair方向具有空间反演对称结构的半硅烷两端口自旋光电器件中具有显著的自旋PGE效应，其可以产生稳定鲁棒的纯自旋电流，且纯自旋流的产生不依赖于光子的能量、光的偏振类型或偏振角；同时还发现，由于半硅烷固有结构上的各向异性，导致其产生的纯自旋电流也具有各向异性。上述研究为二维半硅烷在自旋电子学中的进一步应用提供了新的可能性，并且对设计新型低功耗自旋电子器件提供了一种可行的方案。

03 图文导读

图1 （a）左右双探针单层半硅烷光电探测器模型。单层半硅烷光电探测器在锯齿形方向（b和c）和扶手椅方向（d和e）的侧视图和俯视图。这两个引线沿着z方向延伸到±∞。中心散射区域具有空间反演对称性，O为反演中心。射线（螺旋箭头）沿y方向照射到中心散射区。黑色虚线框是本文研究的周期单位。θ为极化/相位角，e为电磁矢量势。

图2 半硅烷的能带结构：（a）左引线；（b）右引线。每个氢化硅原子沿锯齿形方向的几何结构和自旋方向（c）左引线和（d）右引线。

图3 锯齿形方向和扶手椅方向的自旋相关光响应Rβ （β =↑，↓）和总电荷光响应RC。θ = 45°时线偏振光（a和c）和φ = 45°时椭圆偏振光（b和d）照射下光响应随光子能量的变化。

图4 线偏振光（a和c）和椭圆偏振光（b和d）在锯齿字形方向和扶手椅方向上的光响应随偏振角和相位角的变化。

图5 纯自旋电流产生的物理过程示意图。红色和蓝色螺旋箭头分别表示自旋向上和自旋向下分量。

04 小结

本文利用 鸿之微量子输运计算软件 Nanodcal 研究了具有空间反演对称结构的半硅烷体系的电子性质、磁性和光电流行为。由于系统独特的自旋半导体特性和对称性，在线性偏振光和椭圆偏振光的照射下，可以在锯齿形和扶手椅方向上稳健地产生纯自旋电流，且纯自旋流的产生不依赖于光子的能量、偏振光的类型或偏振角。本工作为半硅烷材料在自旋电子学中的应用提供了潜在的理论依据，并证实了一种通过 PG 效应产生纯自旋电流的有前景的方法。

审核编辑：郭婷