【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】如何在半導(dǎo)體材料體系中產(chǎn)生自旋極化是半導(dǎo)體自旋電子學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題，受到科研人員的廣泛關(guān)注。常規(guī)方法是在磁性金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中，通過自旋極化電流在半導(dǎo)體中注入凈自旋。若能在非磁性半導(dǎo)體材料體系中產(chǎn)生自旋極化，將能有效避免磁性金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中碰到的電導(dǎo)失配等難題，從而為相關(guān)自旋電子學(xué)效應(yīng)的研究提供更多豐富選擇。
 

　　中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所趙建華研究員團(tuán)隊與美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)熊鵬教授團(tuán)隊在半導(dǎo)體自旋電子學(xué)領(lǐng)域開展了長期合作攻關(guān)，提出利用手性與自旋極化的相互轉(zhuǎn)換產(chǎn)生自旋流(即“手性誘導(dǎo)自旋選擇性效應(yīng)”，Chirality-Induced Spin Selectivity，CISS) 的新型方案，用于在半導(dǎo)體中產(chǎn)生自旋極化?？蒲袌F(tuán)隊以“手性分子/半導(dǎo)體GaAs溝道”為核心構(gòu)建橫向自旋電子器件(圖1a、b)，觀察到了表征自旋成功注入到半導(dǎo)體GaAs溝道中的Hanle信號(圖1c)。
 

　　通過系統(tǒng)測試和分析Hanle信號隨偏置電流的變化關(guān)系，科研團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)Hanle信號的偏置電流依賴關(guān)系遵循普適的標(biāo)度律，即不同器件在不同溫度下的變化規(guī)律均可以用同一個函數(shù)關(guān)系進(jìn)行描述(圖2)。類似的普適標(biāo)度律也存在于Hanle信號與溫度的依賴關(guān)系中(圖3)，相關(guān)實驗數(shù)據(jù)可以理解為自旋注入和自旋弛豫過程的共同作用結(jié)果。該項工作不僅為全面深入理解CISS的機(jī)理提供了更多的實驗證據(jù)，還為研制新型半導(dǎo)體自旋電子器件提供了新思路。
 

　　該項工作以“Chirality-Induced Magnet-Free Spin Generation in a Semiconductor”為題，近日發(fā)表于《先進(jìn)材料》(Advanced Materials，文章鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202406347)。佛羅里達(dá)州立大學(xué)柳天寒博士、Yuwaraj Adhikari和半導(dǎo)體所王海龍副研究員為論文的共同第一作者，半導(dǎo)體所趙建華研究員和佛羅里達(dá)州立大學(xué)柳天寒博士、熊鵬教授為共同通訊作者，合作者還包括魏茨曼科學(xué)研究所顏丙海教授、加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校Paul S. Weiss教授等。
 

　　該項工作建立在前期系列合作成果的基礎(chǔ)上，主要包括：(1)成功構(gòu)建出“手性分子/半導(dǎo)體”自旋閥器件，通過深入研究自旋閥信號對電流和電壓的依賴行為，為建立合理的物理模型提供了重要實驗證據(jù)。相關(guān)結(jié)果以“Linear and Nonlinear Two-Terminal Spin- Valve Effect from Chirality-Induced Spin Selectivity”為題發(fā)表于《美國化學(xué)會-納米》(ACS NANO，文章鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c07438)。(2)系統(tǒng)研究了具有不同自旋軌道耦合強(qiáng)度的金屬電極對器件磁電導(dǎo)的影響，揭示了手性與電子自旋極化的轉(zhuǎn)換機(jī)理。相關(guān)工作以“Interplay of structural chirality, electron spin and topological orbital in chiral molecular spin valves”為題發(fā)表于《自然-通訊》(Nature Communications，文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40884-9)。
 

　　上述工作得到了科技部、中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委的項目經(jīng)費資助。
 

　　圖1 (a) 橫向自旋電子器件的結(jié)構(gòu)示意圖及原理示意圖; (b) 橫向自旋電子器件的等效電路圖; (c) 實驗測得的典型Hanle信號
 

　　圖2 Hanle峰值信號的普適偏置電流依賴關(guān)系。器件S1在不同溫度下 (a) Hanle峰值信號隨偏置電流的變化曲線; (b) 歸一化Hanle峰值信號的偏置電流依賴曲線。溫度為0.4 K時三個不同器件的 (c) Hanle峰值信號隨偏置電流的變化曲線; (d) 歸一化Hanle峰值信號的偏置電流依賴曲線
 

　　圖3 Hanle信號的普適溫度依賴關(guān)系。(a) 器件S1在不同溫度下的Hanle信號。(b) Hanle峰值信號隨溫度的變化曲線; (c) 歸一化Hanle峰值信號的溫度依賴曲線。(d) 三個不同器件的Hanle峰值信號隨溫度的變化曲線; (e) 歸一化Hanle峰值信號的溫度依賴曲線