拓扑绝缘体Bi2Se3和Bi2Te3薄膜中巨Rashba效应的第一性原理研究

Manipulation of electron spin by Rashba effect is crucial to the application of spintronic devices. However, spin field effect transistors based on conventional semiconductors generally have rather weak Rashba effect, making it very hard for them to operate at room temperatures and to be miniaturized. Bi2Se3 and Bi2Te3, which are the second generation strong 3D topological insulators, are the focus of the current research. Recently, a series of experiments have revealed that adsorption of atoms or molecules such as Rb or CO can induce giant Rashba effect in Bi2Se3，which is one or two orders larger than that of conventional semiconductors. This brings great promise for room temerature operation and miniaturization of the spintronic devices. However, there are still a lot of fundamental issues to be solved. In this project, we will stuy the giant Rashba effect of the the thin films of Bi2Se3 and Bi2Te3 by using first-principles calculations. We will find in what way the different topological phases can affect the giant Rashba effect and analyze how giant Rashba effect is related to the in-plane potential gradients. Based on these findings, we will propose and investigate two schemes to furhter enhance the Rashba effect, namely, adsorption of Pb or Bi atoms on the film and adsorption of different atoms on the two opposite surfaces of the film. The approach to tuning Rashba effect by electric field will be explored . Our results will provide a good basis for the applications of giant Rashba effect of topological insulators.

利用Rashba效应操控电子自旋是自旋电子器件得以应用的关键。但在基于普通半导体的自旋场效应管中，Rashba效应一般很微弱，这给器件的室温运行和小型化带来很大困难。硒化铋和碲化铋是第二代三维强拓扑绝缘体，是目前研究的焦点。最近一系列实验发现，硒化铋吸附了Rb 、CO等原子或分子后，会产生比普通半导体大一到两个数量级的巨Rashba效应，这为自旋电子器件的室温运行和小型化带来巨大希望。但是现在仍有很多重要问题有待研究。本项目将基于第一性原理计算研究硒化铋和碲化铋薄膜的巨Rashba效应，发现不同拓扑相对巨Rashba效应的影响，分析面内势梯度与巨Rashba效应之间的关系。在此基础之上，我们提出在拓扑绝缘体薄膜上吸附Pb或Bi原子以及在薄膜双面吸附不同原子的方案来提高Rashba效应，探索用电场对Rashba效应进行调控的方法，为拓扑绝缘体巨Rashba效应的应用打下基础。

利用Rashba效应操控电子自旋是自旋电子器件得以应用的关键。但在基于普通半导体的自旋场效应管中，Rashba效应一般很微弱，这给器件的室温运行和小型化带来很大困难。硒化铋和碲化铋是第二代三维强拓扑绝缘体，是目前研究的焦点。最近一系列实验发现，在硒化铋和碲化铋等拓扑绝缘体中可以产生比普通半导体大一到两个数量级的巨Rashba效应，这为自旋电子器件的室温运行和小型化带来希望。本项目基于第一性原理方法计算了拓扑绝缘体中的巨Rashba效应以及相关的电子态和拓扑相，研究了薄膜厚度、吸附、应变和电场对自旋劈裂以及拓扑相的影响，揭示了拓扑绝缘体特别是其二维异质结中的巨Rashba劈裂产生的机制以及调控规律。我们研究了Bi2Se3薄膜上Pb层所诱导的Rashba劈裂以及Pb层厚度变化所引起劈裂的量子振荡；研究了Bi2Se3、Bi2Te3薄膜的厚度变化所引起的自旋劈裂的改变以及拓扑相变；研究了电场对拓扑绝缘体Bi2Se3中自旋劈裂的调控；研究了基底和掺杂对拓扑绝缘体电子态和自旋劈裂的影响；研究了Sb/graphene/Sb系统的拓扑相及其应变调控；研究了silicene/Bi(111)异质结中的巨Rashba劈裂以及与Berry相相关的能谷电子学。我们的研究成果为拓扑绝缘体的应用和器件设计提供了理论依据。在本项目的资助下，在Phys.Rev.B、Appl.Phys.Lett. 、J. Phys.:Cond. Matt.等期刊上发表SCI论文21篇。发表的论文被Nat. Comms、Phys. Rev. Lett.、Nano Letts、ACS Nano、Phys. Rev.B和Appl.Phys.Lett.等期刊多次引用。