近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员郑小宏小组与加拿大麦吉尔大学、山西大学等国内外单位合作，在基于二维垂直异质结获得完全自旋极化电流的研究中取得新的进展。

 

如何获得完全自旋极化输运是自旋电子学的重要研究课题。二维材料中的自旋极化输运，最早在具有锯齿形边沿的石墨烯纳米带中通过施加横向电场得到，之后又相继提出了多种手段，如边沿修饰、B-N共掺杂等。这些研究手段可以分为利用电场调控和基于化学修饰两类，但这两类在石墨烯纳米带中实现完全自旋极化输运的方案，存在实验室无法达到高要求电场、不能精确控制掺杂或吸附位置等问题，或可能因铁磁和反铁磁态的能量差消失而不可观测。寻找新途径在石墨烯材料中实现完全自旋极化输运的研究仍具有重要意义。

 

郑小宏小组等研究人员提出了利用h-BN/graphene/h-BN二维垂直异质结构获得完全自旋极化输运。h-BN/graphene/h-BN通过AA堆积形成三明治式的垂直异质结构，中间层的锯齿形graphene纳米带具有局域的边沿态且分布在两套不同的子晶格上，单独的锯齿形graphene纳米带是自旋简并的，加上两层BN后形成的h-BN/graphene/h-BN二维垂直异质结构产生了自旋劈裂。研究发现，BN层产生的stagger势作用在graphene两套不同的子晶格上，使得具有不同自旋的边沿态能量沿着相反方向移动，因此自旋简并被打破。其中，自旋向上的带隙小于自旋向下的带隙。然后利用线偏振光照射器件的中心区，选择合适的光子能量使得只有一种自旋的电子从价带跃迁到导带。最后在较小的偏压下（低于自旋向上的带隙），导带上被激发的电子向其中一个电极端流动，形成光电流。运用这种方案获得的完全自旋极化输运不依赖于层间距的变化（压缩或拉伸）或者层与层之间的相对位置，且较好地避免了其它方法的缺陷。该研究不仅为石墨烯在自旋电子学中的应用提供了新的方案，还为拓展二维材料的应用领域和应用方式提供了新的思路。

 

相关研究成果发表在Nanoscale上。该研究得到了国家自然科学基金委、中科院超级计算中心合肥分中心等的资助。（来源：中国科学院合肥物质科学研究院）

 

 

图1. (a) h-BN/graphene/h-BN垂直异质结构；(b) h-BN/graphene/h-BN垂直异质结构能带图

 

 

图2.(a) BN纳米带作用在中间graphene层的有效势；(b) 偏压下，光电流随光子能量变化