Nanotechnology编辑优选:石墨烯—MnBi2Te4异质结的自旋输运
本篇研究来自西安电子科技大学林正喆课题组。研究主要介绍了石墨烯—MnBi2Te4横向连结构成的欧姆接触及其导电能力;石墨烯—MnBi2Te4连结可实现高自旋极化电流以及石墨烯—MnBi2Te4—石墨烯横向结与范德华异质结导电能力、导电机制的比较,说明横向结在器件构建中的优势。
文章介绍
通讯作者:
- 林正喆,西安科技大学
论文通过DFT计算和非平衡格林函数方法研究了石墨烯—MnBi2Te4—石墨烯结构的横向、纵向(范德华)连结的自旋输运特性。结果表明,石墨烯与MnBi2Te4的横向连结具有欧姆接触特性。图1(a)展示了两种石墨烯—MnBi2Te4—石墨烯横向连结。在LA结构中,石墨烯与MnBi2Te4的底层Te原子相连。在LB结构中,石墨烯与MnBi2Te4的中部原子相连。这两种结构均表现为良好欧姆接触的线性电流—电压曲线(图1(b)、(c))。MnBi2Te4的内禀磁矩造成电流自旋极化(极化率80~90%)。
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。
作者介绍
林正喆 副教授
西安电子科技大学
- 林正喆,西安电子科技大学物理学院副教授。2012年博士毕业于复旦大学,2012年7月至今在西安电子科技大学工作。研究方向为二维材料在自旋电子学及新能源领域的应用。2022年获陕西省高等学校科学技术研究优秀成果奖二等奖。
期刊介绍
- 2021年影响因子:3.953 Citescore:6.2
- Nanotechnology(NANO)创刊于1990年,是第一本纳米科研和技术领域的专业期刊。NANO发表纳米技术研究发展前沿的高水平研究论文及纳米研究进展的综述,主要集中在纳米能源、生物和医学、电子和光子、图案和纳米加工、传感和驱动、材料合成和材料性能等领域。