近日,best365官網(wǎng)物理學(xué)科陳橋教授團(tuán)隊(duì)在納米壓電自旋晶體管方面取得新進(jìn)展,相關(guān)研究成果以“High Performance Piezotronic Spin Transistors using Molybdenum Disulfide Nanoribbon”為題在國際納米能源類頂級(jí)期刊Nano Energy (IF=16.602,SCI一區(qū))上發(fā)表。
自旋電子學(xué) (Spintronics),也稱磁電子學(xué),是一門新興的學(xué)科和技術(shù)。它利用電子的自旋和磁矩,使固體器件中除電荷輸運(yùn)外,還加入電子的自旋和磁矩,應(yīng)用于自旋電子學(xué)的材料,需要具有較高的自旋極化率,以及較長(zhǎng)的電子自旋弛豫時(shí)間。許多新材料,例如磁性半導(dǎo)體、半金屬等,近年來被廣泛研究,以求能有符合自旋電子元件應(yīng)用所需要的性質(zhì)。
該工作利用單層二硫化鉬的壓電特性調(diào)控二硫化鉬納米帶的邊緣態(tài),同時(shí)通過非局域交換場(chǎng)實(shí)現(xiàn)邊緣態(tài)的自旋劈裂,從而實(shí)現(xiàn)自旋極化輸運(yùn)。其原因在于由應(yīng)力引起的壓電電場(chǎng)會(huì)使邊緣態(tài)發(fā)生相變,即從金屬相轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)體相。然而,當(dāng)同時(shí)存在非局域交換場(chǎng)和應(yīng)力時(shí),納米帶邊緣態(tài)會(huì)在應(yīng)力的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饘賾B(tài)。自旋極化行為同時(shí)受到應(yīng)力和非局域交換場(chǎng)的調(diào)控,在施加應(yīng)力大于3.6%時(shí),可以實(shí)現(xiàn)100%的自旋極化。該工作為設(shè)計(jì)單層二硫化鉬的高性能壓電自旋晶體管提供了新思路和途徑。模型和主要結(jié)果如下:
圖1 (a) MoS2納米帶結(jié)構(gòu)示意圖。紅色區(qū)域指納米帶的左右電極。沿著扶手椅邊緣的原子數(shù)N用于描述MoS2納米帶的寬度W。(b) 和(d) 分別展示了在拉伸和壓縮應(yīng)變下的壓電場(chǎng)的方向。(c)展示了壓電場(chǎng)隨MoS2納米帶的寬度W變化。
圖2(a) 和 (b)展示了壓電自旋晶體管示意圖。其中,(a) 中未施加應(yīng)變,(b)中施加拉伸應(yīng)變。在拉伸應(yīng)變作用下,自旋極化電子沿邊界穿過MoS2納米帶,從而提供柵極電壓調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)。(b) 中漸變顏色標(biāo)記了MoS2納米帶中壓電電勢(shì)分布。(c)和 (d)分別表示在6.9%拉力和2.4λM非局域交換場(chǎng)的共同作用下,21-ZMDSN的能帶圖和自旋電導(dǎo)圖。其中,(c)中自旋向上和自旋向下區(qū)域分別用紅色和藍(lán)色標(biāo)記。
該論文第一作者嚴(yán)雪飛是best365官網(wǎng)物理學(xué)科和吉首大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的研究生,計(jì)算科學(xué)與電子學(xué)院陳橋教授為第一通訊作者,best365官方網(wǎng)站登錄入口為第一通訊單位,共同通訊作者還有杜伊斯堡埃森大學(xué)李龍龍博士,安特衛(wèi)普大學(xué)Fran ois Peeters教授。
2017年以來,best365官網(wǎng)計(jì)算科學(xué)與電子物理學(xué)科與吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)科聯(lián)合培養(yǎng)研究生,鄧永和教授、陳橋教授被吉首大學(xué)聘為碩士研究生導(dǎo)師。學(xué)院為研究生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和資源,支持學(xué)生參與領(lǐng)域內(nèi)高水平學(xué)術(shù)會(huì)議,在讀研究生參與全國材料大會(huì)、國際凝聚態(tài)物理研討會(huì)等高級(jí)別會(huì)議十余次,開拓了學(xué)術(shù)視野,取得較好的科研成果,鄧永和教授指導(dǎo)的研究生高明、張宇文在物理學(xué)報(bào)、Chinese Physics B等權(quán)威期刊上各發(fā)表SCI論文2篇,代表了best365官網(wǎng)物理學(xué)科人才培養(yǎng)的質(zhì)量和水平。
該工作獲得了湖南省自然科學(xué)基金、湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目和best365官方網(wǎng)站登錄入口百名骨干人才基金支持。
論文鏈接https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104953。