自旋電子研究的一個重要領(lǐng)域是使用晶體管中的電子自旋來傳輸和處理信息。迄今為止，在自旋邏輯、磁控自旋電子學(xué)和半導(dǎo)體自旋電子學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)做出了許多努力來操縱編碼在自旋中的信息。在 Datta 和 Das 提出的自旋場效應(yīng)晶體管的開創(chuàng)性想法 30 多年后，許多實際限制仍然阻礙了晶體管的實施。由于磁性半導(dǎo)體需要低溫操作和外部磁場來控制自旋分布，希望找到非磁性半導(dǎo)體來操縱自旋電子器件中的自旋，而無需磁場和鐵磁材料的幫助。在這種情況下，一類新型的鐵電 Rashba 半導(dǎo)體值得進一步探索，因為可以通過非易失性電控制的鐵電極化反轉(zhuǎn)來逆轉(zhuǎn)它們的自旋分布。圖1 Rashba效應(yīng)和鐵電性在二維材料中的設(shè)計原則。楊金龍教授課題組胡偉團隊采用了逆向設(shè)計搜索了同時具有Rashba效應(yīng)和鐵電性的二維非磁性半導(dǎo)體。首先，課題組定義了 Rashba 效應(yīng)、鐵電性和共功能性的設(shè)計原則，并針對實際應(yīng)用優(yōu)化了設(shè)計原則。導(dǎo)致Rashba效應(yīng)和鐵電性能夠存在的必要共同設(shè)計原則包括非中心對稱極性空間群和非零平面外偶極子。導(dǎo)致Rashba效應(yīng)能夠存在的獨特必要設(shè)計原則是時間反演對稱性和非零自旋軌道耦合效應(yīng)，而鐵電性的獨特必要設(shè)計原則是兩個具有相反鐵電極化的簡并基態(tài)和具有非極性空間群的非極性過渡態(tài)。此外，優(yōu)化設(shè)計原則包括價帶頂或?qū)У字械募?Rashba 效應(yīng)、用于器件小型化的薄材料、可克服的鐵電能量勢壘。根據(jù)必要設(shè)計原則在二維材料數(shù)據(jù)庫中進行篩選后，課題組發(fā)現(xiàn)了 30 個鐵電 Rashba 單層材料、兩個純鐵電單層材料和 97 個純 Rashba 單層材料。鐵電 Rashba 半導(dǎo)體具有三種類型的結(jié)構(gòu)，包括 A2 P 2 X 6型（空間群P 31 m）、ABP 2 X 6（空間群P 3 ）和AB 型（空間群P 3 m 1）。圖2 同時具有Rashba效應(yīng)和鐵電性的二維半導(dǎo)體材料的篩選流程。然后，課題組進行高通量密度泛函理論計算研究上述三種類型的結(jié)構(gòu)。15個A 2 P 2 X 6單層、11個ABP 2 X 6單層和47個AB單層在價帶頂或?qū)У字芯哂屑僐ashba效應(yīng)。由于 AB 型是 2D 最薄的 Rashba 結(jié)構(gòu)，我們進一步研究 AB 單層，發(fā)現(xiàn) 14 個 AB 單層（AlBi、SiPb、TlP、GaSb、InSb、BBi、AlSb、GeSn、SiSn、GaAs、InAs、AlAs、InP 和 TlF ) 具有可克服的能量勢壘，這是有前途的鐵電 Rashba 半導(dǎo)體。特別是，二維 AlBi 單層具有最大的 Rashba 常數(shù) (2.738 eV·?) 和相對較小的鐵電勢壘 (0.233 eV）。對于 2D 鐵電 Rashba 半導(dǎo)體，可以通過非易失性電控制切換鐵電極化來反轉(zhuǎn)自旋分布。因此，這個逆向設(shè)計的成果可以運用到自旋電子和邏輯器件上，例如自旋場效應(yīng)管和雙極存儲器件。圖3 AlBi單層材料的鐵電雙勢阱和電子結(jié)構(gòu)。Rashba常數(shù)計算和自旋分布可視化腳本已經(jīng)集成到KSSOLV軟件中（Comput. Phys. Commun.2022, 279, 108424）。楊金龍教授課題組關(guān)于Rashba效應(yīng)的相關(guān)工作：Nano Lett.2020, 21, 740?746; J. Phys. Chem. Lett.2021, 12, 12256?12268; J. Phys. Chem. Lett.2021, 12, 1932?1939; RSC Adv.2020, 10, 6388?6394。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊金龍教授和胡偉研究員為共同通訊作者，化學(xué)院學(xué)生陳佳佳為第一作者。研究工作得到了基金委、科技部和中科院等項目的資助。文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c08827
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