近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊金龍教授研究組在電場(chǎng)調(diào)控半導(dǎo)體載流子自旋取向方面取得重要理論進(jìn)展，使得制備電學(xué)可控的自旋電子學(xué)材料成為可能。該成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上。

　　自旋電子學(xué)是基于電子的自旋進(jìn)行信息的傳遞、處理與存儲(chǔ)的，它具有目前傳統(tǒng)微電子學(xué)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。在自旋電子學(xué)應(yīng)用中，如何實(shí)現(xiàn)用電場(chǎng)調(diào)控載流子自旋取向是一個(gè)關(guān)鍵性的科學(xué)問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，楊金龍研究組先前在概念上提出了一種新型的自旋電子學(xué)材料，即雙極磁性半導(dǎo)體。此類材料具有特殊的能帶構(gòu)造，通過(guò)它的電流不僅可以達(dá)到完全的自旋極化，而且載流子的自旋取向可以簡(jiǎn)單地通過(guò)加門電壓的方法直接進(jìn)行調(diào)制。然而，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)上容易制備的雙極磁性半導(dǎo)體材料一直是一個(gè)難題。

　　楊金龍研究組基于實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)制備出的三維層狀晶體MnPSe3，提出可通過(guò)液相剝離的方法制備出二維的MnPSe3納米片，該納米片具有雙極磁性半導(dǎo)體的功能。他們的理論預(yù)測(cè)，在無(wú)摻雜的情況下，MnPSe3納米片是弱反鐵磁半導(dǎo)體，，而在一定的電子或空穴摻雜下，它轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁半金屬，在費(fèi)米能級(jí)附近具有完全的自旋極化。更為重要的是，電子和空穴摻雜下的載流子自旋極化方向是完全相反的。因此，借助這一體系有望實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)載流子自旋取向的直接控制。此外，理論預(yù)測(cè)該材料的實(shí)驗(yàn)工作溫度顯著高于液氮溫度。

　　這一工作為在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控自旋取向提供了一個(gè)切實(shí)可行的方案，有望對(duì)自旋電子器件的研究與應(yīng)用產(chǎn)生重要的影響。

　　上述研究得到了中國(guó)科學(xué)院、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和教育部的支持。

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中國(guó)科大自旋電子學(xué)材料的理論設(shè)計(jì)獲進(jìn)展

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