金属-半导体界面的自旋轨道耦合效应研究

Spin-orbit coupling (SOC) effect has attracted extensive attention in spintronics since it allows for purely electric manipulation of the electron spin.The first principles calculations and the Hamiltonian models would be used to investigate the SOC effect in metal-semiconductor interfaces in this project. Although there are strong SOC effect in some metallic surface states, the surface states are usually buried in a high density of spin-degenerated metallic bands and hence would not exhibit detectable spin-dependent transport properties. In this project, we try to deposite ultrathin metal films on conventional semiconductors and organic semiconductors, and try to extract the surface states with strong SOC in the metal-semiconductor interfaces. We hope the conventional semiconductor heterostructures can be replaced by the interface structures to realize the two-dimensional elecron gases with the strong SOC effect which can be modulated by electric field. In addition, based on the SOC manipulation of the electron spin, we try to design the spin devices with special spin transport properties, such as spin switch and spin filter.This project would be helpful for understanding the SOC effect and promoting its applications in spintronics, and prompt the development of spintronics.

自旋轨道耦合作用为人们提供了一种利用电学方式调控自旋的方法，在现今的自旋电子学领域中受到广泛关注。本项目拟利用第一性原理计算和模型哈密顿量方法研究金属-半导体界面的自旋轨道耦合效应。有些金属表面态尽管存在着较强的自旋轨道耦合作用，但这些表面态常常伴随着大量自旋简并的状态，使得表面态的自旋轨道耦合效应难以得到应用。本项目拟将超薄金属膜置于传统半导体和有机半导体衬底上，在这种金属-半导体界面中抽取出具有较强自旋轨道耦合作用的金属表面态，实现类似于半导体二维电子气的自旋轨道耦合作用，并利用外加电场实现对该作用的调控。此外，基于自旋轨道耦合对电子自旋的调控作用，希望能够实现具有一定功能的自旋量子器件，如自旋开关、自旋过滤器等。本项目将有助于增进人们对自旋轨道耦合作用的认识及其调控自旋状态的实际运用，推进自旋电子学的发展。

本项目研究了超薄金属膜和金属掺杂石墨烯的自旋-轨道耦合效应以及周期性弯曲石墨烯和层状石墨烯-二硫化钼异质结的电子特性。在由数个原子层组成的超薄金属膜中，由于薄膜上下两个表面的相互作用，薄膜的自旋-轨道耦合效应往往很微弱。但如果在薄膜的一个表面吸附原子，由于结构反演对称性破缺，薄膜的自旋-轨道耦合效应则有可能呈现出来。类似地，如果在垂直于薄膜表面的方向上外加电场，也可以破坏体系结构反演对称性，进而实现体系的自旋-轨道耦合效应。若金属表面-石墨烯之间的相互作用微弱，石墨烯还可以用来保护金属表面态及其自旋-轨道耦合效应。这些研究结果将有助于增进人们对自旋-轨道耦合作用的认识及其在自旋电子学中的实际运用。. 一般认为原子的核电荷数对体系的强自旋-轨道耦合效应有着至关重要的影响，只有通过重金属掺杂才能在石墨烯中实现强自旋-轨道耦合效应。但我们发现，在Ni掺杂的石墨烯中同样有可能存在强自旋-轨道耦合效应。其费米能附近能带的自旋-轨道耦合劈裂可达100meV左右，其Rashba耦合常数约为Au(111)表面态Rashba自旋-轨道耦合常数的一半。尽管Ni掺杂石墨烯可能具有强自旋-轨道耦合效应，Co掺杂石墨烯的自旋-轨道耦合效应却很微弱。但在Co掺杂石墨烯中，我们发现了其他有趣的现象。通过加压、减小原子层间距，有可能实现该体系的磁性-非磁性转变。此外，还有可能在该体系中实现半金属(half-metal)性质，或可用于自旋过滤器的设计和实现。. 为便于抽取和调控金属掺杂石墨烯的自旋-轨道耦合效应，或需要在石墨烯中打开一个不为零的带隙。我们研究了两种周期性弯曲（平滑式弯曲和台阶状弯曲）石墨烯的带隙。周期性弯曲有可能是打开石墨烯带隙的一种新方法。在台阶状弯曲石墨烯中，带隙可达100meV左右，但带隙大小与体系的具体结构特征密切相关。. 理论和实验发现二硫化钼具有比石墨烯强得多的自旋-轨道耦合效应。我们研究了石墨烯-二硫化钼异质结在拉伸及外加电场作用下的电子能带结构。二硫化钼的拉伸或外加电场都有可能实现该异质结从半导体到金属导体的转变。我们还详细分析了二硫化钼带隙与晶格常数和S-S间距之间的函数关系。这些研究成果将有助于人们进一步研究层状二硫化钼相关体系的电子能带结构及其自旋-轨道耦合效应。