中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
M04組供稿
第10期
2021年01月28日
鐵電Rashba半導體α-GeTe的非互易電荷輸運

  對于非中心對稱體系,在打破時間反演對稱性后,其電荷輸運性質可表現出非互易性,即單向磁電阻。不同于重金屬/鐵磁體或者拓撲絕緣體/鐵磁體異質結的單向磁電阻,非中心對稱體系的非互易輸運并不需要磁性界面的參與。近年來,人們在極性半導體、拓撲絕緣體以及界面/表面Rashba等體系中觀測到大的非互易電荷輸運特性,但是非互易電荷輸運特性僅存在于低溫,這嚴重制約了其實際應用。尋找具有室溫非互易電荷輸運的非中心對稱材料,以實現基于非互易響應的新型兩端口整流器件是目前國際上研究的熱點之一。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室成昭華課題組利用分子束外延技術生長出高質量的鐵電Rashba半導體薄膜α-GeTe。前期的角分辨光電子能譜(ARPES)測量結果顯示,α-GeTe同時具有表面和體Rashba能帶結構,其體Rashba系數可至~4.3 eVÅ,對應的自旋劈裂能高達~2300 KBT【Xu Yang et al., Nano Lett. 21, 77–83(2021)】,這為實現室溫非互易輸運提供了可能性。最近,他們與沙特阿卜杜拉國王科技大學張西祥教授課題組合作,基于二次諧波探測技術,在α-GeTe中探測到可達室溫的非互易輸運行為,發現單向磁電阻與電流和外磁場強度均成正比。進一步研究表明非互易輸運系數隨著溫度的增加而呈現非單調變化,這有別于以往的研究體系中非互易輸運系數隨著溫度的增加而急劇減小的規律。他們提出了Rashba體系中非線性的自旋流和電荷流的轉換模型,很好地解釋了實驗結果,并確定α-GeTe的非互易電荷輸運主要源于其體Rashba能帶貢獻。該工作不僅為未來整流器件的研究提供了新的思路,并且闡述了Rashba體系中非互易輸運的微觀機制。相關工作近期發表于學術期刊《自然通訊》(Nature Communications).

  博士后李巖(物理所博士畢業生)、博士生李陽為論文共同第一作者,成昭華研究員和沙特阿卜杜拉國王科技大學的張西祥教授為共同通訊作者。艾克斯-馬賽大學的Aurélien Manchon教授給予了理論指導。該項研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國科學院前沿科學研究計劃的資助以及阿卜杜拉國王科技大學的支持。

  相關工作鏈接:https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03161
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20840-7

圖 1. (a) 諧波測試示意圖。(b)和(c)不同溫度和構型下的非互易電荷輸運。(d)和(e)單向磁電阻與磁場及電流密度均成正比。(f)非互易輸運系數隨溫度非單調變化。

圖 2. (a)Rashba能帶結構示意圖。(b)和(c)費米面處于能帶交叉點上下時的二階自旋流。(d)和(e)非線性自旋流和電荷流的轉化。