IV-VI族二维半导体的自旋注入及各向异性自旋输运

Two-dimensional group IV-VI semiconductors, such as GeSe, offer high stability, high carrier mobility, and high anisotropy, thus holding promise for spintronic applications such as the spin field effect transistors. This project aims at resolving the spin transport mechanism and anisotropy of two-dimensional group IV-VI semiconductors through combined theoretical prediction and experimental verification, and finally achieving high-efficiency spin injection, transport, and detection. Firstly, the process parameters will be optimized to grow large-area few-layer group IV-VI semiconductors. Later, the lateral magnetic tunnel junction will be fabricated and tunneling spin injection will be achieved. The spin injection efficiency, spin relaxation time and spin diffusion length will be characterized by nonlocal Hanle precession. Moreover, the spin relaxation mechanism will be inferred from the first-principle calculation of D’yakonov-Perel and Elliott-Yafet spin relaxation rates and the experimental comparison of the spin transport parameters of spin injection from perpendicularly and planarly polarized ferromagnetic electrodes. Finally, the anisotropic spin-orbit coupling will be characterized through spin-torque ferromagnetic resonance. The contribution of spin-orbit coupling to the anisotropy of spin transport will be evaluated. This project will deepen the understanding of the spin injection and transport process in two-dimensional semiconductors. The outcome of this project will push forward the development of high-performance, energy-efficient spintronic devices.

以GeSe为代表的IV-VI族二维半导体具有高稳定性、高载流子迁移率、高各向异性等特点，因此在自旋场效应管等领域有广阔的应用前景。本项目拟通过理论预测和实验验证，揭示IV-VI族二维半导体的自旋输运机制和各向异性，最终实现高效自旋注入、输运及探测。首先，项目将探索大面积IV-VI族二维晶体的生长工艺。其次，构建平面磁性隧道结，实现自旋隧穿注入，并表征非局域汉勒旋进以计算自旋注入效率，自旋弛豫时间和自旋扩散长度。再次，采用第一性原理计算D’yakonov-Perel和Elliott-Yafet弛豫机制的自旋散射速率，并通过实验比较垂直各向异性和平面各向异性自旋注入的自旋输运参数，验证自旋弛豫机制。最后，通过自旋转矩铁磁共振研究自旋轨道耦合的各向异性，探究自旋轨道耦合对自旋输运各向异性的影响。这一研究将加深对二维半导体自旋注入及自旋输运过程的认知，推动高性能、低能耗的自旋电子器件的发展。

以自旋场效应晶体管为代表的半导体自旋电子器件有望为未来信息技术提供一个低能耗、高速率的系统解决方案。以GeSe为代表的IV-VI族二维半导体具有高稳定性、高载流子迁移率、低自旋轨道耦合等特点，是自旋电子器件的理想载体。本项目围绕IV-VI族二维半导体的自旋输运特性和各向异性开展研究，主要成果有：1、提出利用铁电极化场调控半导体的载流子输运特性，通过引入铁电PZT栅极，使GeSe晶体管的开关比提高了约10倍，外量子效率提升45%；2、系统研究了铁磁薄膜的磁各向异性与层间耦合的内在关联，并通过调控尺度、温度、退火等手段多维度调控材料的磁学特性；3、深入探究了GaN的自旋输运特性和自旋光电子器件应用，在室温下实现了超过12%的自旋极化率，并在自旋发光二极管中实现了11.9%的电致发光圆偏极化，这些数据均刷新了文献纪录；4、首次实现了二维GeSe的电自旋注入，在600 nm沟道宽度的GeSe非局域平面自旋阀中实现了高达26%的磁阻率和45.6%的自旋极化率；5、实验发现GeSe沿AC轴和ZZ轴方向具有不同的自旋弛豫时间，并证实其各向异性可以通过施加单轴应变调控。这些研究成果标志着GeSe已成为二维材料家族中少数几个可以用做自旋输运载体的半导体材料。其较高的稳定性、优异的自旋输运特性和独特的各向异性将为新型自旋电子器件的开发提供理想的平台。相关研究成果先后在ACS Nano、Laser & Photonics Reviews、ACS Applied Materials & Interfaces等高水平学术期刊上发表论文28篇，申请发明专利1项，参加学术交流5次，培养研究生6名。