Nanotechnology编辑优选：石墨烯—MnBi2Te4异质结的自旋输运

图1 （a）两种横向连结的石墨烯—MnBi₂Te₄—石墨烯结构。（b）LA结构的电子透射谱及电流—电压曲线。（c）LB结构的电子透射谱及电流—电压曲线。

作为比较，研究了纵向石墨烯—MnBi₂Te₄—石墨烯连结的输运性质。在纵向连结中，石墨烯与MnBi₂Te₄通过范德华力结合，层间为真空区。图2（a）、（b）展示了两种石墨烯—MnBi₂Te₄—石墨烯横向连结。在HA结构中，石墨烯包夹MnBi₂Te₄上下两面。在HB结构中，石墨烯位于MnBi₂Te₄同一侧。这两种结构也均表现为欧姆接触的线性电流—电压曲线（图2（c）、（d）），但同一电压下的电流明显低于横向连结。其原因归结为范德华异质结真空层中的电子势垒。范德华异质结中某一水平截面上的平均Hartree势表示为

（S为截面面积）。图2（e）可看到石墨烯与MnBi₂Te₄之间真空区域的势垒。相比之下，横向异质结不存在真空势垒，更有利于电子通过。两种二维材料只要能形成良好的横向连接界面，对器件构建是有利的。

图2 （a）纵向（范德华）石墨烯—MnBi₂Te₄—石墨烯连结HA。（b）纵向（范德华）石墨烯—MnBi₂Te₄—石墨烯连结HB。（c）HA结构的电子透射谱及电流—电压曲线。（d）HB结构的电子透射谱及电流—电压曲线。（e）石墨烯与MnBi₂Te₄之间的平均Hartree势。

研究背景：

二维材料被看做电子学新的基本材料。二维材料的发展为自旋电子学带来了新的机遇。二维磁性材料的发现，引起了人们对基于低维体系的磁电控制器件和非易失性存储的关注。对构建电路和器件的二维材料，其连接的可靠性是一个重要基本问题。近年来，由不同二维材料堆叠而成的范德华异质结受到关注。范德华异质结被认为是一种构建器件的新方法。在范德华异质结中，两种二维材料之间形成完美、平整的界面。然而，电子通过范德华异质结时必须穿越真空区势垒。相比之下，两种横向连接的二维材料若具有紧密连接的原子界面，高质量的共价界面也能确保优良的电子学性质。横向排列的二维材料构成的器件也值得进一步研究。

在未来的碳基电路中，石墨烯是一种很有前途的二维导电连接材料。MnBi₂Te₄是首个被发现的反铁磁拓扑绝缘体。作为基本的器件材料，石墨烯—MnBi₂Te₄连结的导电性质是值得研究的。本文将横向石墨烯—MnBi₂Te₄连结与石墨烯—MnBi₂Te₄范德华异质结进行了比较性研究，探讨了其中的贯穿势垒、电流自旋极化以及横向异质结的欧姆接触特性，为碳基自旋电子学器件的构建提供参考。