二维拓扑绝缘体 Rashba 效应增强机制的理论研究

Spin manipulation and detection based on spin-charge current (C-S) conversion is the major development direction for the new type of spintronic devices. How to improve the efficiency of C-S conversion is the key issue. In this project, we focus on the multi effects in two-dimensional Rashba topological insulators (2D Rashba TIs) including their intrinsic Rashba effect, the interaction with external fields (electric and stress fields) and the interaction with different substrates (metals with stronger spin-orbit coupling (SOC) effect, semi-metals with weaker SOC effect and semiconductors with intrinsic Rashba effect), aiming at the significant enhancement of Rashba effect for achieving efficient C-S conversion. The origins and tuning mechanisms of these Rashba states will be revealed from theoretical models in combination with first-principles calculations. A series of 2D Rashba TIs will be proposed theoretically due to the novel Rashba effect, which are expected to extend the field of 2D topological insulators, as well as to offer bases for experimental works and device designs on realizing these exotic properties.

基于电荷-自旋流转换的自旋操控和检测是新型自旋电子器件发展的主要方向。如何提高电荷-自旋流转换效率是器件设计的关键。本项目以具有 Rashba 效应的二维拓扑绝缘体（ 2D Rashab TIs ）为研究对象，针对 2D Rashba TIs 的内秉 Rashba 效应， 2D Rashba TIs 与外场（电场、应力场等）之间的相互作用，以及 2D Rashba TIs 与衬底材料（包括：强自旋轨道耦合效应的金属、弱自旋轨道耦合效应的半金属、固有 Rashba 效应的半导体）之间的耦合效应开展系统的理论研究，发展相关的理论模型，揭示 2D Rashba TIs 材料中 Rashba 态的形成机制与调控规律，提出提高 2D Rashba TIs 材料电荷-自旋流转换效率的途径，为实验研究与器件设计提供理论依据。

作为自旋电子学的主要研究领域之一，Spin-orbit Torques（SOT）控制的磁化强度可以通过有效地将电荷流转换成自旋流（Charge-to-Spin（C-S））实现。自旋霍尔效应（SHE）作为一种电荷流-自旋流转换机制，在重金属中得到了广泛的探究。最新研究进展表明：在 Bi/Ag、α-Sn/Ag 和 LaAlO3/SrTiO3 中检测到 Rashba 效应诱导的电荷流-自旋流相互转换，其效率高于 SHE。此外，得益于其强自旋轨道耦合（SOC）效应和受自旋-角动量锁定（Spin-Momentum Locking）拓扑边缘态的保护，拓扑绝缘体（TIs）的拓扑表面态是实现高效 C-S 转换的另一种界面机制。但是，TIs 材料内秉的拓扑表面态与诱导的 Rashba 态可以共存，导致 C-S 转换效率的“相消”或“相长”机制并不清晰。因此，申请人将目光聚焦于具有内并 Rashba 效应的 TIs 材料上，通过理解和优化外场、界面效应对 SOT 自旋电子学器件中高效产生自旋电流提供理论依据。. 针对本项目，申请人提出了 Line-Centered Honeycomb、Cairo Pentagonal 等拓扑晶格模型，建立了描述其拓扑电子态的紧束缚模型，预言了一批具有上述晶格特征的新型二维拓扑绝缘体材料。此外，申请人提出了利用表面修饰（类金刚石GaBi晶格）、界面效应（Bi2Se3/Ag、Bi2Se3/CoFe 和 Bi2Se3/Au 晶格）、破坏镜面对称（WB4晶格）以及应力效应（ThTeO晶格）等调控二维拓扑绝缘体拓扑相变以及 Rashba 效应的策略，并发展了相关的理论模型，为实现室温量子自旋霍尔效应提供了材料基础，为设计基于拓扑绝缘体的、具有高转化效率（自旋流到电荷流）的器件提供切实可行的方案。