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(wèn)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(guò)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(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所趙建華研究員團(tuán)隊(duì)與美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)熊鵬教授團(tuán)隊(duì)在半導(dǎo)體自旋電子學(xué)領(lǐng)域開(kāi)展了長(zhǎng)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(duì)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(hào)（圖1c）。
通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試和分析Hanle信號(hào)隨偏置電流的變化關(guān)系，科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Hanle信號(hào)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(gè)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(hào)與溫度的依賴關(guān)系中（圖3），相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以理解為自旋注入和自旋弛豫過(guò)程的共同作用結(jié)果。該項(xiàng)工作不僅為全面深入理解CISS的機(jī)理提供了更多的實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(xiàng)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(guò)深入研究自旋閥信號(hào)對(duì)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(shí)驗(yàn)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(guó)化學(xué)會(huì)-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(duì)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(guó)科學(xué)院和國(guó)家自然科學(xué)基金委的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)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(shí)驗(yàn)測(cè)得的典型Hanle信號(hào)
圖2 Hanle峰值信號(hào)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(hào)隨偏置電流的變化曲線; (b) 歸一化Hanle峰值信號(hào)的偏置電流依賴曲線。溫度為0.4 K時(shí)三個(gè)不同器件的 (c) Hanle峰值信號(hào)隨偏置電流的變化曲線; (d) 歸一化Hanle峰值信號(hào)的偏置電流依賴曲線
圖3 Hanle信號(hào)的普適溫度依賴關(guān)系。(a) 器件S1在不同溫度下的Hanle信號(hào)。(b) Hanle峰值信號(hào)隨溫度的變化曲線; (c) 歸一化Hanle峰值信號(hào)的溫度依賴曲線。(d) 三個(gè)不同器件的Hanle峰值信號(hào)隨溫度的變化曲線; (e) 歸一化Hanle峰值信號(hào)的溫度依賴曲線
