氮化物/磁性二维材料异质外延及自旋-谷耦合调控应用

Exploitation of electrically tunable spintronic devices is a hot topic in spintronics. By constructing the heterostructure of III nitrides/magnetic two-dimensional MnPX3 (X=S, Se), and utilizing its novel spin-valley degree of freedom, it is expected to overcome the limitation of optical pump method for valley-spin and thus develop a new way to manipulate the electrons. Around this topic, the project will adopt both the theoretical design and experimental exploration, to study the growth, properties and application of III nitrides/magnetic two-dimensional MnPX3 heterostructures. The effects of nitride composition, doping, and polarity on the growth kinetics of magnetic two-dimensional MnPX3 will be investigated, to reveal the growth mechanism, with the aim to achieve large-scale and high-quality vertical semiconductor heterostructures. Then, the spin-valley coupling property and its regulation for magnetic two-dimensional MnPX3 will be studied under the effect of interfacial chemical potential, stress, and local electric field. Based on these understanding, integrated spin luminescence-detection device based on III nitrides/magnetic two-dimensional MnPX3 heterostructure will be designed and constructed. Controlled by the electric field, polarized luminescence and photoresponse with both variable wavelength and polarizability will be expected.

电可调自旋器件的研发是当前自旋电子学领域的热点前沿。通过构筑氮化物/磁性二维MnPX3(X=S,Se)异质结构，利用其新颖的自旋-谷自由度，有望克服光泵浦谷自旋调控模式的局限，开拓全新的电子操控手段。围绕这一主题，本项目拟结合理论设计与实验探索，外延生长氮化物/磁性二维MnPX3异质结构，探明不同氮化物组分、掺杂与极性面对磁性二维MnPX3生长动力学过程的影响，揭示其外延生长机制，以获得大尺度、高质量的垂直半导体异质结构；研究界面化学势场、应力场及局域电场作用下磁性二维MnPX3的自旋-谷耦合性质及其调控规律；设计构筑基于氮化物/磁性二维MnPX3的自旋发光探测一体器件，通过外加电场实现可变波长与可控极化率的旋光效应及光响应，建立全电学调控的器件工作模式。

自旋电子特性的调控与自旋电子器件的研发是当前自旋电子学领域的热点前沿。通过构筑磁性二维MnPX3(X=S,Se)、过渡金属硫化物二维材料及其异质结构，利用其新颖的自旋-谷自由度，并结合界面化学势场、应力场、局域电场等手段，有望实现自旋电子特性及能谷特性的有效调控。基于上述背景，本项目开展了磁性二维MnPX3(X=S,Se)、过渡金属硫族化合物的制备及其自旋-谷耦合特性研究。.研究采用理论和实验相结合的方法。首先基于第一性原理探究了多种磁性与非磁性二维材料的自旋电子学性质，澄清衬底对其能谷性质的调控作用与机理；利用其较强的自旋轨道耦合效应，采用磁场、电场、应力等因素对其进行调控，在多种二维材料及异质结体系中均获得了较大的自旋极化率与自旋能谷分裂，掌握其自旋动力学机制。如设计构建了MnPSe3/CrBr3范德瓦尔斯异质结构，利用界面化学势场与应力场实现对MnPSe3自旋-谷耦合性质及磁结构的调控；构建了MnFePX3(X=S,Se)二维合金结构，研究了其自旋与能谷特性；采用应变调控单层合金的磁稳定性、能带结构、自旋与能谷极化，从而使MnFePS3合金在-4%应变下产生高达1000meV的能谷极化，MnFePSe3合金在4%应变下可同时获得219meV的自旋分裂与160meV的能谷极化。.进而采用化学气相沉积法在GaN薄膜表面调控生长单层WS2，探明不同衬底结构、不同组分、掺杂与极性面对其生长过程的影响，揭示其外延生长机制，获得了高结晶质量且界面陡峭的半导体垂直异质结构，掌握了关键性可控生长技术；研究了不同衬底组分、掺杂、极性面等对其电学、光学与自旋电子性质的影响。同时，还实现了多种二维晶体的大面积生长，首创结合源材料掩膜蒸发的CVD生长方法，显著提高了晶体质量与均匀性；揭示了晶粒成长、晶界弥合、结构演变等动力学生长机制，成功获得了大面积高质量的二硫化铼单层晶体，且实现晶圆级尺度连续的二硫化钨单层晶体生长。.此外，本项目还研发了多种低功耗半导体自旋光电调控器件，为低维半导体及其异质结构在自旋谷电子器件与自旋光电器件的应用开辟了有效途径。