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後,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並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学国家重点实验室成昭华课题组利用分子束外延技术生长出高质量的铁电Rashba半导体薄膜α-GeTe。前期的角分辨光电子能谱(ARPES)测量结果显示,α-GeTe同时具有表面和体Rashba能带结构,其体Rashba系数可至~4.3 eVÅ,对应的自旋劈裂能高达~2300 KBT【Xu Yang et al., Nano Lett. 21, 77–83(2021)】,这为实现室温非互易输运提供了可能性。最近,他们与沙特阿卜杜拉国王科技大学张西祥教授课题组合作,基于二次谐波探测技术,在α-GeTe中探测到可达室温的非互易输运行为,发现单向磁电阻与电流和外磁场强度均成正比。进一步研究表明非互易输运系数随着温度的增加而呈现非单调变化,这有别于以往的研究体系中非互易输运系数随着温度的增加而急剧减小的规律。他们提出了Rashba体系中非线性的自旋流和电荷流的转换模型,很好地解释了实验结果,并确定α-GeTe的非互易电荷输运主要源于其体Rashba能带贡献。该工作不仅为未来整流器件的研究提供了新的思路,并且阐述了Rashba体系中非互易输运的微观机制。相关工作近期发表于學術期刊《自然通讯》(Nature Communications).

  博士后李岩(物理所博士毕业生)、博士生李阳为論文共同第一作者,成昭华研究員和沙特阿卜杜拉国王科技大学的张西祥教授为共同通讯作者。艾克斯-马赛大学的Aurélien Manchon教授给予了理论指导。该项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院前沿科学研究计划的资助以及阿卜杜拉国王科技大学的支持。

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

图 1. (a) 谐波测试示意图。(b)和(c)不同温度和构型下的非互易电荷输运。(d)和(e)单向磁电阻与磁场及电流密度均成正比。(f)非互易输运系数随温度非单调变化。

图 2. (a)Rashba能带结构示意图。(b)和(c)费米面处于能带交叉点上下时的二阶自旋流。(d)和(e)非线性自旋流和电荷流的转化。