二维层状III-VI族化合物中Rashba自旋劈裂的调控及机制研究

Rashba spin-orbit coupling (SOC) effect induced by structure inversion asymmetry (SIA) can be manipulated through the external field and designing structure, which can be applied in the preparation of spin electronic devices. Due to special layered structure of 2D group III-VI compounds, one can manipulate and design their structures in order to obtain strong Rashba spin splitting. Using first-principles calculations, the prime goal of this project is to study Rashba SOC of 2D group III-VI compounds MX(M = Ga, In; X = S, Se, Te) systematically. The potential gradient can appear through external electronic field, adsorption of impurities, metal substrates, and strain etc. These methods can induce and modulate Rashba spin splitting. Furthermore, we will build Van der waals heterostructures with enhanced Rashba SOC effect. One can modulate splitting strength through changing the interlaminar interaction and potential difference. At last, in order to understand the mechanism of the different manipulating method, we will study the influence of all kinds of atoms and orbitals for splitting strength through Orbital Selective External Potential Method (OSEP). This will give new guidance for the application of III-VI compounds in spintronics.

由于结构反演非对称所导致的Rashba自旋轨道耦合效应可以通过外场以及结构设计实现调控，有望应用于自旋电子器件的实际制备中。二维III-VI族化合物因其特殊的层状结构，易于对其进行调制和设计，以期获得强Rashba自旋劈裂。本项目拟采用第一性原理方法对二维层状III-VI族化合物MX(M = Ga, In; X = S, Se, Te)中的Rashba自旋轨道耦合效应进行系统研究。外加电场、杂质原子吸附、放置衬底、施加应力等方式均可以使垂直于平面的势梯度不为零，诱发其Rashba自旋劈裂并进行调控。进一步，构建Rashba自旋轨道耦合增强的范德华异质结构，通过改变层间相互作用和层间电势差对其劈裂强度进行调控。最后结合选择性轨道加场法，研究不同原子及轨道对劈裂强度的影响，深入理解各种调控方法的机制，为二维III-VI族化合物在自旋电子学中的应用提供指导。

由于结构反演非对称所导致的Rashba自旋轨道耦合效应可以通过外场以及结构设计实现调控，有望应用于自旋电子器件的实际制备中。二维III-VI族化合物因其特殊的层状结构，易于对其进行调制和设计，以期获得强Rashba自旋劈裂。本项目采用第一性原理方法对二维III-VI族化合物MX(M=Ga,In;X=S,Se,Te)中的Rashba自旋轨道耦合效应进行系统研究。主要研究结果如下：(1)施加垂直于MX平面的外电场可以打破体系的镜面对称性，在Γ点附近诱发较大的Rashba自旋劈裂，劈裂强度主要受阴离子X的影响，并且随着外加电场的增大而增大。(2)构建了极性化合物XABY(A,B=Ga,In;X≠Y=S,Se,Te)单层，研究表明X和Y原子的不同电负性可以导致不对称的内电场，使体系的镜面对称性发生破缺，导带底产生Rashba类型的自旋劈裂。外加电场和面内应力可以通过改变电荷分布影响内电场，从而实现对劈裂强度的调控。(3)构建了多种基于MX的范德华异质结，探究了异质结中的层间耦合作用对Rashba自旋轨道耦合的影响，发现层间耦合可以打破MX单层的镜面对称性，诱发Rashba自旋劈裂。利用垂直应力、面内应力和外加电场对劈裂强度进行调控，结果表明Rashba系数和电偶极矩表现出相似的变化趋势，表明异质结中的电偶极矩是Rashba劈裂的主要决定因素。(4)研究了三元化合物ABC单层(A=Sb,Bi;B=Se,Te;C=Br;I)中的Rashba效应，从原子序数和电势梯度两方面对影响劈裂强度的因素做了分析，加深了对该效应的理解。(5)探究了二维金属-半导体异质结中的电接触类型并实现了有效调控。通过该项目的研究，加深了对二维材料Rashba自旋轨道耦合效应的认识，分析了影响Rashba自旋劈裂强度的因素，为自旋电子器件的设计提供了重要的理论支撑。