半导体所等在手性分子产生自旋极化研究的进展

利用手性与自旋极化的相互转换产生自旋流是近年来自旋电子学领域的研究热点，相关现象被称之为“手性诱导自旋选择性”（Chirality-Induced Spin Selectivity, CISS）。CISS在自旋电子学器件中具有潜在的应用价值和丰富的物理内涵，但是手性与自旋极化相互转换的微观机理一直是激烈争论的科学问题。

佛罗里达州立大学熊鹏教授团队与中国科学院半导体研究所赵建华研究员团队合作，以“磁性半导体/手性分子/非磁性金属”为核心构建自旋阀器件（图1），系统研究了具有不同自旋轨道耦合强度的金属电极对器件磁电导的影响，揭示了手性与电子自旋极化的转换机理。

具体而言，当非磁性金属为具有强自旋轨道相互作用的Au电极时，能观察到显著的类自旋阀信号；而当非磁性金属为Al电极时，类自旋阀信号则减小了约一个数量级（图2）。

魏茨曼科学研究所颜丙海教授从理论上指出，手性分子的结构不对称性使得电子产生轨道极化，而具有强自旋轨道耦合的非磁性金属电极进一步将电子的轨道极化转换为电子的自旋极化。在此基础上，该合作团队发展出一个势垒可调的隧穿模型，很好地对实验数据进行了定量解释。

值得指出的是，高质量的磁性半导体(Ga,Mn)As薄膜在这项工作中发挥了关键作用。实际上，前期的类似工作未能给出令人信服的实验数据，其主要原因在于自组装的手性分子隧穿势垒层不可避免地存在孔洞等缺陷，从而导致“磁性金属/手性分子/金属”自旋阀器件短路失效。

而在分子和金属电极间加一层薄的氧化绝缘层的方法又会增加器件本身的复杂性。将磁性金属换成磁性半导体(Ga,Mn)As，由于金属/半导体肖特基势垒的存在，上述问题得到了有效解决。此外，(Ga,Mn)As可以通过应变将其调控为垂直各向异性材料，为观测到清晰可靠的自旋阀信号提供了保障。

该工作以“Interplay of structural chirality, electron spin and topological orbital in chiral molecular spin valves”为题近日发表于Nature Communications。佛罗里达州立大学Yuwaraj Adhikari博士生和柳天寒博士为论文的共同第一作者，半导体所赵建华研究员、魏茨曼科学研究所颜丙海教授和佛罗里达州立大学熊鹏教授为共同通讯作者，半导体所王海龙副研究员也为本工作做出重要贡献。

这项工作建立在该合作团队前期构建“手性分子/半导体”自旋阀器件的基础上。他们通过系统研究自旋阀信号对电流和电压的依赖行为，为建立合理的物理模型提供了实验基础。相关工作以“Linear and Nonlinear Two-Terminal Spin- Valve Effect from Chirality-Induced Spin Selectivity”为题发表于ACS NANO14, 15983 (2020)。

上述工作得到了科技部、中国科学院和国家自然科学基金委的项目经费资助。

图1 (a) 手性分子产生电子自旋极化的机理示意图。(b,c) 垂直自旋阀的器件结构示意图和扫描电镜图。

图2 非磁性金属为 (a) Au和 (b) Al 对应的类自旋阀信号。

审核编辑：刘清