北京納米能源所ACS Nano: 壓電電子學效應首次調控電子自旋軌道耦合

【引言】??

基于自旋極化電子的自旋電子器件在速度、尺寸和功耗方面具有極其顯著地優勢。能帶自旋分裂不僅可以通過外部磁場和電子自旋的耦合引起的塞曼效應來實現，也可以在零磁場下通過晶體的反演非對稱性所引入的自旋軌道耦合（SOC）來實現。在半導體中如何利用SOC實現對自旋的高效產生、操縱和檢測是實現新型半導體自旋電子器件的關鍵問題。在低維半導體中，SOC被認為是由結構反演不對稱性（SIA）和體反演不對稱性（BIA）分別誘導的Rashba項和Dresselhaus項所引起。BIA來源于體材料晶體本身所缺乏的空間反演對稱中心，其主要取決于晶格尺寸、溫度和電子態密度。而SIA通常是由于與晶格相關的內在異質結構而引起的空間反演對稱中心的破缺所引起，如非等效的正反向界面、非對稱的量子阱摻雜、非對稱的量子阱結構、以及外部或內建電場的存在等。因此，與Dresselhaus SOC相比，Rashba SOC吸引了更多的關注，因為它可以通過人工微結構的設計來調整，并通過施加柵極電壓來調制。

【成果簡介】???

近年來，隨著成本的降低，制備工藝的簡化以及壓電性能的提高，ZnO納米線在紫外光電子學、透明高功率電子學、壓電傳感器等領域的應用受到了越來越多的關注。ZnO具有廣泛的應用前景，帶隙為3.4eV，激子束縛能為60meV，對未來自旋電子器件的室溫操作有很大的益處。由于自旋弛豫時間長，人們還注意到ZnO薄膜和量子點在自旋電子器件中可能具有較好的應用前景。在正應力作用下，由于非中心對稱ZnO 納米線纖鋅礦結構中的壓電效應，在異質結或界面的納米線處感應出壓電極化電荷和壓電勢，其中壓電勢可以作為柵極電壓來調整和控制電流例如壓電場效應晶體管，應變門控晶體管，壓電邏輯器件等壓電器件。這就是王中林教授2007首次提出的壓電電子學效應。值得關注的是，壓電勢能在靜壓力或應變下穩定保持下來，不僅保證了未來自旋電子器件的穩定性，而且還不需要任何額外的能耗。因此，使用內部壓電勢而非外部柵極電壓來操縱納米線中的Rashba SOC將是一個很好的嘗試。如果自旋電子器件的性能可以通過使用簡單的外部應變所引入的壓電電子學效應來實現高效的調節，則對未來納米自旋電子器件的調控提供新的手段。

近日，在中科院北京納米能源與系統研究所所長、美國佐治亞理工學院終身校董事講席教授王中林院士的指導下，朱來攀博士，張巖教授等研究人員在柔性襯底上生長出大面積的ZnO納米線陣列，并制備了簡單的ZnO/P3HT界面，使其有效地產生結構反演不對稱性，從而誘發Rashba SOC。為了研究基于ZnO/P3HT的器件中的Rashba SOC，研究人員使用了圓偏振光電流效應（CPGE），這是一種靈敏的探測室溫下自旋軌道耦合強弱的方法。利用簡單彎曲器件而引起的ZnO 納米線內在壓電勢，研究還驚奇的發現Rashba SOC可以被有效地調控，在一定的壓縮應變下Rashba SOC強度增加了2.6倍。相關研究成果于2018年1月22日以題為“Piezotronic Effect on Rashba Spin?Orbit Coupling in a ZnO/P3HT Nanowire Array Structure”在ACS Nano在線出版。(DOI: 10.1021/acsnano.7b08618)。

【圖文導讀】

圖1：器件制備及表征。

(a)器件的制備過程。

(b)器件的UV-VIS-IR吸收光譜和IV特性。

(c)ZnO NW的低倍率TEM圖像。

(d)ZnO NW的HRTEM圖像，左上角的插圖表示ZnO NW的SAED圖案。

(e)展示出了所生長的ZnO NW陣列的側視SEM圖像。

(f)旋涂P3HT的ZnO NW陣列的俯視SEM圖像。

圖2：光電流測量及其對入射角和光功率的依賴性。

(a)CPGE電流測量示意圖。

(b)在室溫45°傾斜入射1mW光照射下，測得的光電流與四分之一波片相位角φ的函數關系。黑線是擬合線。擬合出的CPGE和LPGE電流，分別用粉紅色和綠色虛線表示。CPGE和LPGE電流的基線實際上是零，為了更好的與總電流對比作了相應的上下平移。

(c) CPGE電流和PV電流隨入射角的變化。插圖是利用相應的PV電流歸一化的CPGE電流。

(d) CPGE電流和PV電流隨激光功率的變化。插圖是利用相應的PV電流歸一化的CPGE電流。

圖3：光電流隨應變的變化。

(a)在壓縮和拉伸應變下CPGE電流的測量示意圖。

(b)在室溫，θ= +45°斜入射角，且壓縮和拉伸應變下，1mW的光強測得的光電流與四分之一波片相位角φ的變化關系。彩色線條是擬合曲線。為了清楚起見，數據點和擬合線作了有意地上下平移。

(c)在室溫，θ = +45°斜入射角，壓縮和拉伸應變下，CPGE電流隨四分之一波片相位角的變化關系。

(d)θ = +45°斜入射角下，CPGE和PV電流的幅度隨應變的變化關系。

圖4：無P3HT層的對比實驗。

(a)CPGE電流測量裝置和器件結構示意圖。

(b)在-0.8％壓縮和0.8％室溫拉伸應變下，θ = +45°的斜入射下，光電流隨相位角φ的變化關系。彩色線條是擬合曲線。 為了清楚起見，數據點和擬合線作了有意地上下平移。

(c)表示零CPGE電流的光學躍遷圖。

圖5：通過壓電電子學效應調控Rashba自旋-軌道耦合的示意圖。

(a)無應變核殼納米線結構示意圖。

(b)柵極壓電勢為0的P3HT/ZnO能帶示意圖。

(c)右旋（左旋）圓偏振光時能帶自旋分裂引起的CPGE電流的示意圖。

(d)具有壓縮應變的核殼納米線結構示意圖，顯示出了ZnO中相應的壓電電荷和壓電電勢分布。通過有限元分析方法(COMSOL)對壓電勢分布進行數值模擬。

(e)具有正壓電勢門的P3HT/ZnO能帶的示意圖，說明能帶結構的不對稱性增強。

(f)由能帶的自旋分裂增強引起的CPGE電流增強的示意圖。

(g)具有拉伸應變的核殼納米線結構示意圖，顯示出了與圖5(d)相反的壓電電荷和壓電勢分布。

(h)具有負壓電勢門的P3HT/ZnO能帶的示意圖，說明能帶結構的不對稱性減弱。

(i)能帶自旋分裂的減弱導致CPGE電流下降的示意圖。

【小結】

研究人員通過照射偏振態可調的斜入射光來研究ZnO/P3HT納米線陣列結構自旋軌道耦合。通過測量CPGE電流證實了ZnO/P3HT異質界面可以引起強的Rashba SOC。研究表明利用簡單彎曲器件而引起的ZnO 納米線內在壓電勢，Rashba SOC可以被有效地調控。壓電勢的優勢在于不僅能夠在靜態壓力或應變下保持穩定，而且不需要額外的能耗。該研究首次利用壓電電子學效應實現了對自旋的有效調控，為大規模柔性壓電自旋電子器件的發展開辟了新的研究方向。這種實現和調制自旋輸運的研究不應局限于ZnO納米線陣列結構，我們的發現可以推廣到其他纖鋅礦壓電納米結構，P3HT也應該可以被其他p型有機層所取代。

文獻鏈接：Piezotronic Effect on Rashba Spin?Orbit Coupling in a ZnO/P3HT Nanowire Array Structure?(ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b08618)

本文由中科院北京納米能源與系統研究所提供，材料牛整理編輯。

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