進展鐵電半導體中體Rashba效應的三維極限

對於對稱性破缺的體系，在錶面/界面處存在電勢梯度，電子自旋-軌道耦合（SOC）導致能帶劈裂，產生一對自旋—動量鎖定、自旋手性相反的能帶結構，這種效應稱為Rashba效應。Rashba效應在非易失性存儲元件、邏輯計算和半導體自旋電子學中有非常廣泛的應用前景，例如，大的Rashba劈裂可以提高自旋流-電荷流的轉化效率。以往的研究主要集中在半導體或金屬異質結的界面或二維電子氣體系的Rashba效應，但是它們的Rashba繫數相對較小。近年來人們發現一些鐵電半導體具有巨大的三維Rashba效應，其Rashba繫數比異質結或二維電子氣的高兩個數量級，但是到目前為止，其尺寸效應尚不清楚。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M04課題組利用分子束外延（MBE）方法，實現生長不同厚度的鐵電半導體GeTe薄膜，並對不同厚度的薄膜進行角分辨光電子能譜（ARPES）的測量。結果表明，隨着薄膜厚度的降低，體Rashba繫數逐漸降低，滿足標度律，三維Rashba效應的臨界厚度為2.1(±0.5)nm，與ARPES測得的2.5 nm薄膜結果相一致。在厚度為5.0nm時，體系依舊保持着α_R=2.12 eV Å，遠高於其它體系中的Rashba繫數。利用電極化強度與貝利曲率的關係，闡明瞭Rashba效應消失的機理。該工作不僅給出了鐵電半導體Rashba繫數隨厚度的變化關係，同時揭示了三維Rashba效應的影響因素，可為利用Rashba效應的器件提供一個新的設計思路。相關工作發表在Nano Letters 2021, 21,77-83.

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圖1. (a)-(e) 25.8 nm, 13.5 nm, 5.0 nm, 3.0 nm以及2.5 nm的在GeTe（0001）上投影費米面。(a)和(e)中的白色六邊形為錶面布里淵區。(f)-(j)為M̅−Γ̅−M̅方向的ARPES譜，對應(a)-(e)。藍色三角標識為MDCs峰位，綠色為擬合Rashba能帶色散關係。

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