自旋電子學(xué)材料的理論設(shè)計取得新進(jìn)展
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院楊金龍教授研究組在電場調(diào)控半導(dǎo)體載流子自旋取向方面取得重要理論進(jìn)展，使得制備電學(xué)可控的自旋電子學(xué)材料成為可能。此成果發(fā)表在美國化學(xué)會志上【J. Am. Chem. Soc. 2014. DOI：10.1021/ja505097m】。
自旋電子學(xué)是基于電子的自旋進(jìn)行信息的傳遞、處理與存儲的，它具有目前傳統(tǒng)微電子學(xué)無法比擬的優(yōu)勢。在自旋電子學(xué)應(yīng)用中，如何實現(xiàn)用電場調(diào)控載流子自旋取向是一個關(guān)鍵性的科學(xué)問題。為解決此問題，楊金龍教授研究組先前在概念上提出了一種新型的自旋電子學(xué)材料，即雙極磁性半導(dǎo)體【Nanoscale 4, 5680 (2012)】。此類材料具有特殊的能帶構(gòu)造，通過它的電流不僅可以達(dá)到完全的自旋極化，而且載流子的自旋取向可以簡單地通過加門電壓的方法直接進(jìn)行調(diào)制。然而，設(shè)計出實驗上容易制備的雙極磁性半導(dǎo)體材料一直是一個難題。
楊金龍教授研究組基于實驗上已經(jīng)制備出的三維層狀晶體MnPSe3，提出可通過液相剝離的方法制備出二維的MnPSe3 納米片，而該納米片具有雙極磁性半導(dǎo)體的功能。他們的理論預(yù)測，在無摻雜的情況下，MnPSe3 納米片是弱反鐵磁半導(dǎo)體，而在一定的電子或空穴摻雜下，它轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁半金屬，在費米能級附近具有完全的自旋極化。更為重要的是，電子和空穴摻雜下的載流子自旋極化方向是完全相反的。因此，借助這一體系有望實現(xiàn)電場對載流子自旋取向的直接控制。此外，理論預(yù)測該材料的實驗工作溫度顯著高于液氮溫度。
這一工作為在實驗上實現(xiàn)電場調(diào)控自旋取向提供了一個切實可行的方案，有望對自旋電子器件的研究與應(yīng)用產(chǎn)生重要的影響。上述研究得到了中國科學(xué)院、科技部、國家自然科學(xué)基金委與教育部的支持。
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（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心）
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