石墨烯自旋特性的离子调控研究

Benefitting from its excellent physical and chemical properties, graphene, as the representative of carbon nanomaterials, is considered as the key material for the next generation high-speed and low-power consumption nanodevices. Graphene which has high charge mobility and long spin lifetime, can be used as a spin transfer channel. In order to modulate the spin transport process in graphene, it is necessary to enhance the its spin orbit coupling. The existing enhancement methods, such as the introduction of defects and heavy metal doping, are difficult to dynamically control the modification process, and the modified results are often irreversible. Developing a new dynamic control method for spin orbit coupling of graphene not only solves the problem of regulation and control in spin transport process, but also has the potential to achieve new spin injection and information reading by spin Hall effect and its inverse effect. This project aims to use ionic liquids to achieve dynamic adsorption and desorption of hydrogen ions on graphene surface under voltage control. Through the modification of graphene with hydrogen ions, we can achieve the magnetic induction and the control of spin orbit coupling.

以石墨烯为代表的碳纳米材料，由于其优异的物理、化学特性，被认为是制备下一代快速、低功耗纳米器件的关键材料。石墨烯具有电荷迁移率高，自旋寿命长的优点，可以用做自旋的传输沟道。为了对石墨烯中自旋输运过程进行电场调控，需要增强石墨烯的自旋轨道耦合。现有的强化手段如缺陷引入、重金属掺杂等，难以对石墨烯的改性过程进行动态控制，改性结果往往不可逆。发展新型的石墨烯自旋轨道耦合动态调控方法，不仅可以解决自旋输运过程中的调控难题，还有望通过自旋霍尔效应及其逆效应实现新型的自旋注入以及信息读取。项目拟利用离子液体实现电压控制下的石墨烯表面氢离子动态吸附和脱附，通过氢离子对石墨烯的改性，实现界面作用下的磁性诱导以及自旋轨道耦合系数的控制。

以石墨烯为代表的二维材料，被认为是制备下一代快速、低功耗纳米器件的基础，其相关方向已经成为近年的研究热点，受到科研和产业界的广泛重视。其中，二维材料器件的构筑、高精度本征信号的测试、自旋的注入与调控是重要的研究内容，也是解决其应用瓶颈的核心与重点。本项目针对以上问题，以石墨烯及石墨烯相关的二维材料器件为主要研究对象，取得了以下研究成果：1）搭建了高精度光电磁综合输运测试平台，完成了石墨烯器件离子液体调控实验。2）开发出一整套二维材料异质结的制备和定点转移技术，并完成了石墨烯横向自旋阀中器件高精度本征信号探测的相关研究。3）利用二维铁磁材料Fe3GeTe2作为铁磁电极进行石墨烯自旋注入，理论研究证明自旋注入效率可达到90%。4）计算了室温二维铁磁材料VSe2与过渡金属硫化物半导体WSe2的界面的自旋过滤效应，并证明可以通过插入半导体相的MoSe2来增强该效应。5）实现了以相变调控为基础的光控磁逻辑、各向异性调控以及层间交换耦合调控等目标。这些研究成果将有助于深化对二维材料异质结体系及其他量子材料体系中的自旋相关输运行为规律的认知，为今后实现全新的量子调控应用中奠定坚实科学基础。