近日，中国科学技术大学化学物理系杨金龙教授课题组胡伟团队在二维铁电Rashba材料领域取得进展，研究成果以题为“High-Throughput Inverse Design for 2D Ferroelectric Rashbasemiconductors”发表在Journal of the American Chemical Society上。
自旋电子研究的一个重要领域是使用晶体管中的电子自旋来传输和处理信息。迄今为止，在自旋逻辑、磁控自旋电子学和半导体自旋电子学领域，已经做出了许多努力来操纵编码在自旋中的信息。在 Datta 和 Das 提出的自旋场效应晶体管的开创性想法 30 多年后，许多实际限制仍然阻碍了晶体管的实施。由于磁性半导体需要低温操作和外部磁场来控制自旋分布，希望找到非磁性半导体来操纵自旋电子器件中的自旋，而无需磁场和铁磁材料的帮助。在这种情况下，一类新型的铁电 Rashba 半导体值得进一步探索，因为可以通过非易失性电控制的铁电极化反转来逆转它们的自旋分布。
图1 Rashba效应和铁电性在二维材料中的设计原则。
图2 同时具有Rashba效应和铁电性的二维半导体材料的筛选流程。
然后，课题组进行高通量密度泛函理论计算研究上述三种类型的结构。15个A 2 P 2 X 6单层、11个ABP 2 X 6单层和47个AB单层在价带顶或导带底中具有纯Rashba效应。由于 AB 型是 2D 最薄的 Rashba 结构，我们进一步研究 AB 单层，发现 14 个 AB 单层（AlBi、SiPb、TlP、GaSb、InSb、BBi、AlSb、GeSn、SiSn、GaAs、InAs、AlAs、InP 和 TlF ) 具有可克服的能量势垒，这是有前途的铁电 Rashba 半导体。特别是，二维 AlBi 单层具有最大的 Rashba 常数 (2.738 eV·Å) 和相对较小的铁电势垒 (0.233 eV）。对于 2D 铁电 Rashba 半导体，可以通过非易失性电控制切换铁电极化来反转自旋分布。因此，这个逆向设计的成果可以运用到自旋电子和逻辑器件上，例如自旋场效应管和双极存储器件。
Rashba常数计算和自旋分布可视化脚本已经集成到KSSOLV软件中（Comput. Phys. Commun.2022, 279, 108424）。杨金龙教授课题组关于Rashba效应的相关工作：Nano Lett.2020, 21, 740−746; J. Phys. Chem. Lett.2021, 12, 12256−12268; J. Phys. Chem. Lett.2021, 12, 1932−1939; RSC Adv.2020, 10, 6388−6394。
中国科学技术大学杨金龙教授和胡伟研究员为共同通讯作者，化学院学生陈佳佳为第一作者。研究工作得到了基金委、科技部和中科院等项目的资助。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c08827
来源：中国科学技术大学
