自旋无带隙半导体综述:下一代自旋电子学的候选者

自旋无带隙半导体综述:下一代自旋电子学的候选者

卧龙岗大学的一个团队发表了一篇关于自旋无带隙半导体(SGSs)的广泛综述。

自旋无带隙半导体(SGSs)是一类新型零间隙材料,具有完全自旋的极化电子和空穴。

该研究加强了对材料的寻找,使其能够实现超快、超低能量的 “自旋电子 “产品,且不会浪费导电能量耗散。

SGS材料的定义属性与 “带隙 “有关,即材料的价带和传导带之间的间隙,这决定了它们的电子特性。

一般来说,一个自旋通道(即自旋方向之一,向上或向下)是具有有限带隙的半导体,而另一个自旋通道具有封闭(零)带隙。

在自旋无带隙半导体(SGS)中,导带和价带边缘在一个自旋通道中相触,电子从被占(价)态移动到空(导)态不需要阈值能量。

这一特性赋予了这些材料独特的性质:它们的能带结构对外部影响(例如压力或磁场)极为敏感。

大多数SGS材料都是高居里温度的铁磁材料

SGS的能带结构可以有两种类型的能量-动量色散。Dirac(线性)色散或抛物线色散。

新综述调查了Dirac和抛物线型SGSs在不同材料体系中的三种亚型。

对于狄拉克型SGS,其电子迁移率比经典半导体中的电子迁移率高2到4个数量级。在SGS中激发电子所需的能量非常少,电荷浓度非常容易 “调整”。例如,可以通过引入新元素(掺杂)或通过施加磁场或电场(门控)实现。

Dirac型自旋无间隙半导体具有完全自旋极化的Dirac锥,并通过量子异常霍尔效应驱动的无耗散边缘态,为自旋电子学和低能耗电子学提供平台。

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该研究概述了SGS在下一代自旋电子器件中的潜在应用,以及低电子器件和高速,低能耗的光电器件应用。

自2008年王晓林教授首次提出SGS以来,全球范围内寻找合适的候选材料的努力尤其集中在Dirac型SGS上。

具有自旋轨道耦合的抛物线型和Dirac型SGS材料的能带结构导致量子异常霍尔效应。
具有自旋轨道耦合的抛物线型和Dirac型SGS材料的能带结构导致量子异常霍尔效应。

近十年来,通过密度泛函理论预测了许多Dirac或抛物线型SGS,并且已经在单层和块状材料中通过实验证明了一些抛物线型SGS。

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