磁性异质结中自旋流的光激发机理及输运性质研究

Magnetic tunnel junction is a key component of spintronic nanodevices. Based on magnetic tunnel junction, a high tunnel magnetoresistance ratio and a high spin injection ratio, as well as the pure spin current can be obtained. However, bias voltage is usually applied on the magnetic tunnel junction, which causes the heat dissipation and deteriorates the device stability, and moreover the generation of pure spin current requires the barrier material with strong spin-orbit interaction. In view of these mentioned problems, in this project the electrical transport properties of the metal/black phosphorus magnetic tunnel junction modulated by the photogalvanic effect is studied at zero bias voltage using quantum transport theory. The mechanism of the photogalvanic effect is investigated, and the modulation of the magneoresistance ratio and spin injection ratio by the photogalvanic effect is studied. Besides, the influence of the electronic structure of the magnetic tunnel junction on the photogalvanic effect is discussed, and the mechanism for the generation of the pure spin current is proposed. The results of this project will provide theoretical support for the optically controlled electrical transport properties of the magnetic tunnel junction, and for the design of low power spintronic nanodevices.

产生自旋流并调控其输运性质是发展自旋电子器件的关键。目前在磁性异质结中产生自旋流的主要方法有自旋泵浦、自旋霍尔效应及自旋塞贝克效应等，但都存在一些局限性，如需要精细的温差控制或伴有电荷流等，且需要依赖于强自旋轨道耦合的材料。针对上述问题，本项目采用量子输运理论研究磁性异质结中自旋流的光激发机理及自旋流的输运性质。首先，研究在“磁性金属-黑磷”异质结里由偏振光激发的光生电流效应，探讨体系的电子结构性质及空间对称破缺对电子自旋输运性质的影响规律，在此基础上提出产生纯自旋流的机理；其次，分析光子能量及偏振态等因素对自旋流输运性质的影响，获得调控自旋流的方法及机理。本项目的研究结果将为产生和调控自旋流提供理论参考，并为设计低功耗纳米自旋电子器件提供理论依据。

产生自旋流并调控其输运性质是发展自旋电子器件的关键。在磁性异质结中产生自旋流的主要方法有自旋泵浦、自旋霍尔效应及自旋塞贝克效应等，但都存在一些局限性，如需要精细的温差控制，且依赖于强自旋轨道耦合。本项目采用量子输运方法主要研究磁性金属/二维磷烯-磁性异质结中由光生电流效应激发的自旋流，具体结果如下：.1. 设计了具有非空间反演对称（Cs点群）的镍/二维磷烯磁性异质结，基于此提出了二维自旋电池的理论模型。该结构在可见光波段内通过偏振光照射，可激发显著的光生电流效应，产生自旋极化的光电流。当电极的磁矩取向反平行，且入射光的偏振角度为0°或90°时，产生的自旋向上与自旋向下的光电流大小相等而方向相反，从而激发了纯自旋流。这表明，在无（弱）自旋轨道耦合的体系利用光生电流效应也可激发纯自旋流，有别于自旋泵浦、自旋霍尔效应等机制。.2. 分析了应力对光生电流效应的调控作用及机理，阐明了器件对称性与光电流的线性依赖关系。对镍/二维磷烯-磁性异质结中的磷烯施加机械应变，即均匀拉伸或适度弯曲，在3%的应变率内可使光电流增大3个数量级，纯自旋流增大10倍以上，其原因在于应力大幅降低了异质结的对称性。.3. 研究了钴/二维磷烯-磁性异质结的电流自旋输运性质，揭示了弯曲对器件输运性质的影响规律。当磷烯的弯曲度在25°到45°之间时，隧穿电流随弯曲度增加，自旋极化率高达90%。.4. 发展了光生电流效应量子输运理论，在非平衡格林函数理论的框架下推导了线偏光照射时光电流与入射角及偏振角度的耦合变化规律，并开发了计算程序。据此研究了二维VSi2N4/WSi2N4磁性异质结体系，在特定光子能量、入射角度及偏振态下，可得到由光生电流效应驱动的纯自旋流和自旋阀效应，磁阻率可达100%。.本项目提出了在磁性异质结中产生和调控自旋流的方法及原理，可为设计低功耗自旋电子器件提供参考。.