近日，我院凝聚态计算与理论物理研究所秦真真副教授和湖南大学秦光照教授进行合作，在二维反式Janus Rashba半导体材料设计方面取得积极进展，相关成果以“Inverse Janus design of two-dimensional Rashba semiconductors”为题在线发表于Phys. Rev. B 108, 115130 (2023)。论文的第一单位为郑州大学物理学院，第一作者为我院2019级本科生田骐琨同学（现已直博湖南大学继续从事微纳热输运及热电性能研究），我院秦真真副教授为通讯作者。

该工作是田骐琨同学在秦真真副教授的指导下继2021年8月（见http://www5.zzu.edu.cn/wuli/info/1011/3862.htm）后再次以本科生身份发表第一作者研究型论文。

随着自旋电子学的兴起，具有强自旋轨道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）效应的材料引起了越来越多的关注。尤其是，自旋轨道耦合与空间反演对称性破缺所诱发的Rashba效应激发了广泛的研究兴趣，它表现出与新一代自旋电子器件发展中关键技术息息相关的有趣物理现象，如自旋霍尔效应等。1984年，Bychkov和Rashba引入了一种简单形式的自旋轨道耦合来解释二维半导体中电子自旋共振的特性，即Rashba效应。Rashba效应的优点在于可以在不依赖外磁场的情况下，利用空间对称性破缺即可实现自旋劈裂，极大拓展了实际自旋电子器件应用中需要利用磁场实现自旋劈裂的短板。

Rashba自旋-轨道耦合哈密顿量可以写为H_SOC=α_R(σ×k)·z，其中α_R代表Rashba常数，σ代表泡利自旋矩阵，k代表动量，z代表电场方向。通常情况下，较大的Rashba常数和较强的外部电场响应将更利于Rashba体系在自旋场效应晶体管（Spin Field-effect Transistors, SFET）方面的应用。Rashba效应不仅在涉及自旋自由度操控的自旋电子器件应用中发挥重要价值，而且与其他效应结合时可呈现发掘新奇量子物理现象的巨大潜力。另一方面，在设计未来自旋电子器件时，有必要在一种材料中考虑实现多功能物理特性的可能性。而Rashba效应由于其独特的自旋劈裂特征，已被证实有利于提高热电材料的电输运参数甚至热电性能。因此，对潜在二维热电材料进行Rashba体系的设计与外场调控有望开发Rashba材料在SFET和Rashba热电方面的巨大应用前景。

二维反式Janus Rashba体系及其外电场调控Rashba常数示意图

在本工作中，作者选择一类潜在的二维热电材料X₂Z₂（X = Si, Ge, Sn; Z = P, As, Sb, Bi）进行了一种特别的反式Janus结构设计—XYZ₂（X, Y = Si, Ge, Sn; X≠Y; Z = P, As, Sb, Bi），并基于第一性原理计算研究了这一系列反式Janus体系的结构稳定性、电子结构和Rashba效应，然后进一步探讨了Rashba效应在外电场和应变作用下的调控规律。相比于普通Janus型Rashba体系，具有反式Janus结构的SiSnSb₂和GeSnSb₂单层首次被预测为二维Rashba半导体，且在费米能级附近具有孤立的自旋劈裂，其Rashba常数α_R分别为0.94和1.27 eV Å。更重要的是，与施加双轴或单轴应变相比，SiSnSb₂和GeSnSb₂单层中的Rashba效应能更有效地受到外电场的调控，尤其是GeSnSb₂单层表现出1.34 eŲ的强电场响应率，从而导致较短的自旋通道长度（L= 64 nm）。此外，由于功函数和静电势能不适用于评估反式Janus SiSnSb₂和GeSnSb₂结构中的内建电场(E_in)，该工作提出了一种有效的方法，即通过基本的电荷转移来表征E_in，从而近似量化α_R及其在外电场下的变化。该研究不仅提出了GeSnSb₂单层可作为一种有潜力应用于SFET和Rashba热电器件的多功能材料，而且还启发了人们通过反式Janus结构设计在二维材料中引入Rashba自旋劈裂的研究思路。

该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

全文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.108.115130。

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