压电半导体纳米线结构中的自旋分裂效应及其调控研究

The stronger spin splitting of energy band due to stronger quantum confinement in nanowire structures compared with body and quantum well materials makes it a good candidate to spin transport and control. However, the detailed characteristics and possible mechanisms of spin splitting in nanowire structures are still unknown. And the study of manipulation to spin splitting via external fields or interface symmetry are still less. TheⅡ-Ⅵ wurtzite nanowires represented by ZnO nanowire are good candidate thanks to the lower cost, simple manufacture-process and better piezoelectric performance. Using the technologies of spin photocurrent,low temperature magnetic transport, K⋅P theory and the first principle calculation, etc，we will study the detailed characteristics and possible mechanisms of the spin splitting in single piezoelectric nanowire structures. And we will explore the inner relationship between the structure parameters or external fields and spin splitting of the energy band or the behavior of spin transport both experimentally and theoretically. We still expect to find new methods such as strain and piezoelectronic effect to manipulate the spin action and explore spin-related new effects. All in all, we hope to develop scientific experimental system and theoretical basis for novel spintronic devices based on single piezoelectric nanowires.

相比于体材料及其量子阱结构，由于更强的量子限制效应，最新研究结果表明纳米线中能带自旋分裂效应将会更强，逐渐成为当今的研究热点。但纳米线结构能带自旋分裂的具体特点和物理机制目前尚不清楚，且外场和界面对称性等对其调控规律的研究还较少。以ZnO纳米线为代表的Ⅱ-Ⅵ族纤锌矿纳米线制备成本低廉，工艺简单，且具有良好的压电性能，是该项目研究的最佳材料。本项目拟利用自旋光电流、低温磁输运、K⋅P理论、第一性原理等方法，旨在研究压电半导体单根纳米线体系中能带自旋分裂的具体特点和物理机制，从实验和理论两方面探索纳米线体系的结构参数和外场与能带自旋分裂和电子自旋行为的内在关联，特别是探索和发展以应变和压电势为代表的新型电子自旋行为的调控原理和方法，发现纳米线中电子自旋相关的新效应，为基于压电半导体单根纳米线的新型柔性-压电-自旋电子器件的发展提供科学的实验体系和理论依据。

压电效应是压电材料在应力作用下产生形变时出现极化电荷和内部电势的现象，被广泛地应用于机电传感和机械能的采集。以ZnO、钙钛矿为代表的非中心对称半导体纳米线，由于离子的极化会在晶体中产生压电势和压电极化电荷，他们可以调控纳米线本身的能带结构和界面势垒高度，从而有益于提高自旋轨道耦合和能带自旋分裂，实现高性能自旋电子器件。本项目立足于发展和完善压电自旋电子学这一国际前沿基础科学，重点开展了：1）ZnO纳米线、钙钛矿纳米线及其异质结构中的自旋光电流的产生机制，探索了这些结构中与自旋输运相关的新效应，研究了这些结构中自旋轨道相互作用和能带自旋分裂的分布规律和物理机制； 2）掌握了压电半导体低维结构自旋分裂和电子自旋行为与量子受限结构、外场的内在关系，通过结构设计和外场，特别是探索和发展了以应变和压电势为代表的新型电子自旋行为的调控原理和方法，实现了对自旋分裂和电子自旋行为的有效调控，为基于低维压电半导体的新型自旋电子器件提供了科学的实验体系和理论依据。项目按计划顺利执行，取得了一系列重大创新成果，该项目的研究加深了人们对压电半导体低维纳米材料力学-光-电-磁输运耦合行为中的新现象、新机制的理解与认识，所开发的新材料、新工艺极大拓展了自旋电子学的研究与应用范畴，促进了压电（光）电子学与自旋电子学领域的交叉融合。. 该项目共发表SCI论文12篇（均已标注），其中影响因子大于10的7篇。参加国际国内会议并作口头报告或墙报展示10余人次。项目培养博士后研究人员2人，培养博士生3人，硕士生1人。