Small:自旋零带隙半导体——一种全新的电子及自旋电子学材料

Wiley 旗下的Small杂志最近发表了由澳大利亚伍伦贡大学超导与电子材料研究所,王晓临教授与岳增记研究员等人撰写的“Spin Gapless Semiconductor” 综述文章(DOI: 10.1002/smll.201905155)。作者详细分析总结了自旋零带隙半导体独特的能带结构,电子与自旋特征,相关的各类材料以及它们的应用价值。

自旋零带隙半导体是2008年由王晓临教授从能带设计出发首次提出的一类全新的自旋电子材料和自旋电子学概念。按能带论,自然界中的材料可分为金属,半金属,半导体和绝缘体。自旋零带隙半导体可以看做是零带隙半导体与半金属铁磁体之间的一类材料。自旋零带半导体的带结构可以是线性色散的,也可以是抛物线形状的。它们的最重要基本特征是:导带和价带是完全自旋极化的,同时其中一个自旋方向是零带隙,另一个自旋方向有带隙。相比与其他电子材料,自旋零带隙半导体具有很多独特的优势:具有很高的磁性居里温度;由于零能带,电子从价带被激发到导带只需很小能量;电子和空穴都可以是完全自旋极化的;高迁移率; 以及高温反常量子霍尔效应。

图 1 狄拉克型四类自旋零带隙半导体电子能带结构和态密度示意图
图 2抛物线型四类自旋零带隙半导体电子能带结构和态密度示意图

抛物线型 或线性色散的自旋零带隙半导体的带结构都有四种类型(如图1和图2):第一,自旋向上导带与价带为零带隙,而自旋向下为有带隙,且自旋向下价带低于费米面,自旋向下导带高于费米面,在费米面附近电子和空穴都是完全自旋极化的。 第二,自旋向上为零带隙,自旋向下为有带隙且价带接触费米面导带高于费米面。电子是完全自旋极化,而空穴是自旋简并的;第三,自旋向上为零带隙,自旋向下为有带隙且导带接触费米面价带低于费米面。空穴是完全自旋极化,电子是自旋简并的;第四,自旋向上导带与自旋向下价带为零带隙,自旋向上价带低于费米面与自旋向下导带高于费米面。向上的电子与向下的空穴是完全自旋极化的。 对于狄拉克自旋零带隙半导体,定义为狄拉克自旋零带半导体, 它有更丰富的电子与自旋优势 :电子无质量、高的载流子迁移率、零能隙以及完全自旋极化的特点,这使得它们成为了超高速低能耗自旋电子器件的理想选择。线性情况。  

自王晓临教授提出自旋零带隙半导体的概念以来, 至今已有数百种材料被证实为自旋零带隙材料。赫斯勒自旋零带隙材料包括Mn2CoAl,Ti2CoSi,Ti2MnAl ,Ti2CrSi,Ti2CrSn,Cr3Al,V3Al,CoFeCrGa,CoFeMnSi等。二维自旋零带隙材料包括单层VCl3, VI3, NiCl3, MnF3, MnCl3, MnBr3, MnI3, YN2 MoN2, Na2C等。氧化物自旋零带隙材料包括CrO2/TiO2异质结与单层VO2, MnO, ZnO, MnO, CoO等。有机自旋零带隙材料包括Mn(C6H5)3,Ni2C18H12,Co2C18H12,Ni2C24S6H12,Mn2C6S12等。

自旋零带隙半导体在自旋电子器件与低能耗电子器件方面有着广阔的应用前景。第一种类型,在自选轨道耦合作用下,自旋零带半导体内部变得局域而材料边缘的电流就会可以无散色传输。这就是量子反常霍尔效应和它所产生无耗散的输运。此时自旋零带隙半导体成为陈数拓扑体。除了伴随着全自旋极化的无质量态外,狄拉克类型自旋零带隙半导体表现出了更多的自旋和电荷态。栅极化或者化学掺杂可以使电子或空穴完全极化或者使电子-空穴对具有相同的自旋符号。在光或者热的激发下,相同数量的激发空穴和电子可以是全自旋极化的。自旋零带隙半导体的载流子可以使用霍尔效应分离,并且可以很容易被外磁场和外电压调控。 自旋零带隙半导体的这种对外界刺激极为敏感的特性及其丰富的 奇特的能带必将导致新的物理现象和自旋电子学器件, 在电子学,磁学,光学等领域有很重要的应用价值。