一种有趣的自旋输运调控机制--自旋分离器

  0 1 引言  

自旋输运的调控一直是自旋电子学研究领域的中心课题。到目前为止，沿着这条路线两个著名的发现是半金属输运和纯自旋流的预测，前者实现了100%自旋极化的单自旋输运，后者表征为两个自旋通道非零均等概率、流向相反的零净电荷电流，两者均在自旋电子器件领域中引起了极大的关注。相比之下，如何将材料中空间重叠路径上的两个自旋通道分离成两个孤立的分支，在终端同时获得两种自旋极化电流，在概念上要复杂得多，也更具有挑战性。在这项工作中，我们基于铁磁锯齿型石墨烯纳米带右半部分的中心嵌入一个 h-BN 构建的双界面异质结构器件中实现了这一想法。

  0 2 成果简介   本项目基于基于密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，利用鸿之微Nanodcal 软件包，研究了基于铁磁 11 链宽锯齿型石墨烯纳米带，以及一条 5 链宽锯齿型硼氮纳米带嵌入到其中心区右半部分所构成的 h-BN/graphene 横向异构器件的量子输运特性。散射态结果表明，h-BN 的嵌入类似于一个完美的自旋分离器，即电子经过中心区散射后，两个空间路径混合的自旋电流被分成两个分支，每个分支承载一个自旋电子通道。通过对异质结构原子磁矩及电子特性的计算分析，揭示了界面效应和边缘效应对纳米带的作用机制。考虑界面空位和界面无序的存在对本研究中所提出自旋分离器量子输运性质的影响，发现其仅对器件电子透射谱产生了些微的干扰，而两个量子自旋通道始终稳定存在。在上述基础上，进一步讨论了自旋分离机制的普适性，在具有相似几何结构和电子结构的锯齿型铝磷/硅烯纳米带双边横向异质结构中，类似于 h-BN，铝、磷的存在打破了锯齿型硅烯纳米带对称性势场，电子通过这一中心区时，同样实现了稳定的自旋分离和 100%自旋极化输运。  

0 3 图文导读  

图 1 (a) h-BN/graphene 自旋分离器件模型图; (b) 器件中心区的俯视图; (c)和(d) 分别为器件自旋向上和自旋向下的透射函数以及相应的电子散射态分布。

图 2 (a) 双探针器件模型(M0)，中心区域的上边缘有一个长为 12 条碳二聚体，宽为 8 条锯齿碳链的矩形缺陷；(b)-(d) B-C 界面器件模型(M1)，N-C 界面器件模型(M2)和双界面C3(BN)5C3 器件模型(M3)中心区俯视图；(e)-(f) M0-M3 自旋相关透射函数

图 3 M0-M3 自旋相关的电子散射态分布

图 4 (a) 和 (b) B-C 界面和 N-C 界面异质结单胞原子旋磁矩分布曲线；(c) 以 B-C 为例， 11-(NB)mCn 以及 11-ZGNR 电子能带结构；(d) 内建电场作用模型；(e) 异质结价带和导带边沿态分布；(f) 考虑 h-BN 作用前后边沿态导带和价带位置示意图

图 5 界面空位和界面无序对自旋分离效应的影响

图 6 自旋分离效应的应用拓展--以锯齿型 ZAlPNR/ZSiNR 横向异质结为例

0 4 小结     本项目通过鸿之微Nanodcal软件计算h-BN/graphene 横向异质结的电子结构和量子输运特性，提出了一种有趣的自旋输运调控机制--自旋分离器。有别于仅能实现单自旋输运的传统自旋过滤器件，该方案通过 B-C 与 N-C 界面调控，不仅保留了单一界面异构器件所具有的 100%自旋极化输运特性，而且能够在空间上产生两种自旋通道，同时获得两束自旋取向相反的完全自旋极化电流。这源于 B-C 和N-C 界面极化效应形成的方向相反的极化场，同时作用于被 h-BN 纳米带隔开两侧窄 n-ZGNRs，使其具有不同自旋极性的半金属丰度。此外，在异质界面处存在空位缺陷或紊乱情况下，也能够实现稳定的自旋分离，为其在实际应用中的稳定性提供了一定的理论依据。该自旋分离器的设计理念不仅限于锯齿型石墨烯纳米带，它可以推广至其他具有相似几何结构和电子结构的类石墨烯体系中。这一研究结果为低维自旋电子学器件中的自旋输运调控提供重要的借鉴意义。