超薄层石墨中自旋轨道耦合与自旋极化输运研究

自旋轨道耦合在自旋电子学领域的重要意义之一在于利用它可能实现自旋的电学操纵。石墨烯作为自旋电子学功能材料，其自旋轨道耦合作用一直备受研究关注，但现有 的报道在其自旋轨道强度和来源机制等方面一直处于争议之中。本项目拟对超薄层石墨（主要包括单层和双层石墨）中的自旋轨道耦合作用给予深入研究，包括内禀自旋轨道耦合作用、栅电压引起的外禀自旋轨道耦合作用、金属电极与石墨烯接触面处结构反演不对称引起的Rashba自旋轨道耦合作用等。此外，我们还进一步研究石墨烯纳米结构和石墨烯自旋场效应晶体管中电子自旋输运，考虑自旋轨道耦合，电极接触，以及偏压与栅压对其输运性质的调控作用。我们期望通过本项目的研究获得对超薄层石墨自旋轨道耦合效应和自旋极化输运的深入理解，推进石墨烯自旋电子学的发展。

本项目题为“超薄层石墨中自旋轨道耦合与自旋极化输运研究”，项目旨在研究石墨烯作为自旋电子学功能材料，自旋轨道耦合作用在该领域的重要作用。通过三年的研究，我们对石墨烯中自旋轨道耦合的产生机制、强度调控、以及输运体系中石墨/金属界面性质有了深入了解。项目部分内容没有获得预期结果，部分内容在开展过程中发现了比预期更有意义的结果，因此内容略有调整。.通过项目成员三年的努力，主要获得如下成果：.(1)我们发现外加电场对单层与多层石墨烯中自旋轨道耦合无明显调控作用。.(2)我们发现石墨烯/金属复合体系中，金属衬底对石墨烯中的自旋轨道耦合有较大调控作用。以Ni(111)衬底为例，我们研究了石墨烯/Ni(111)体系的电子结构、磁性、以及自旋电子学特性。结果显示由于Ni的d电子态与石墨烯pz态杂化，界面Rashba自旋劈裂能量可达20 meV，与实验结果一致。.(3)我们研究了石墨烯/单层铁复合体系中磁晶各向异性能的调控方法。与独立的单层Fe薄膜相比，吸附石墨烯明显降低了Fe薄膜的磁晶各向异性能，磁各向异性能从单层铁中的meV/Fe原子降至复合体系中的 ueV/Fe原子。此外我们还发现，在石墨烯/单层铁复合体系中，可通过注入电荷的方法使减小的磁晶各向异性能逐渐恢复。我们的研究有助于以石墨烯为基础的自旋电子学器件发展。.(4)我们研究了Au(111)薄层表面Rashba自旋轨道耦合的电场调控。研究发现，Au(111)表面Rashba自旋轨道耦合作用同时存在一阶线性与高阶非线性部分，Rashba自旋劈裂能与外加电场呈很好的线性关系，这是因为外电场只对Rashba自旋轨道耦合作用的线性部分有调控作用。非线性Rashba自旋劈裂对应高速运动的芯态电子，不受外电场影响。我们的研究为金属表面Rashba自旋劈裂的研究提供了深入理解，对电控自旋有重要的指导意义。.(5)在项目经费的支持下，我们还开展了部分原项目申请书没有计划的内容，包括FePt多层薄磁晶各向异性能的调控，PVDF/Fe复合多铁体系中磁电耦合效应等。