一维Rashba体系的设计，调控及其非常规磁各向异性的理论研究

The manipulation of spin degrees of freedom is one of the key issues in the development of high speed and low power electronic devices. Usually, these spintronic devices usually require a magnetic field to achieve spin splitting. The Rashba effect can achieve spin splitting by utilizing spatial symmetry breaking without applying external magnetic fields. In particular, a derived one-dimensional (1D) Rashba system is expected to achieve non-dissipative spin currents and novel physical phenomena with regulation. However, searching or designing a 1D Rashba spin splitting system has always been a challenge for low-dimensional surface science. The currently known 1D Rashba effect is mainly realized in nanomaterials composed of heavy elements, where its application is greatly limited in terms of the crystal growth technology. This project aims to design a new type of highly flexible 1D Rashba system by selecting suitable strong spin-orbit coupling (SOC) elements to adsorb at the nanoribbons of graphene-like monolayer hexagonal honeycomb structures based on first-principles study. Furthermore, the regulation of these novel 1D Rashba systems will be studied by applying external electric fields and strains. Especially, from the new perspective of "unconventional magnetic anisotropy distribution in k-space", the phenomenon and mechanism of magnetic anisotropy in the Rashba systems will be clarified. The project will be helpful to design the novel 1D Rashba systems or achieving the giant Rashba effect, and further provide theoretical basis and guidance to the design of electric field/stress controllable 1D Rashba systems.

自旋自由度的操控是开发高速低功率电子设备的关键问题之一。通常电子设备需要利用磁场实现自旋劈裂，然而Rashba效应可以在不依赖外磁场的情况下，利用空间对称性破缺来实现。一维Rashba体系有望实现非耗散自旋电流等新奇物理现象，但寻找一维Rashba体系一直是表面低维科学的重要挑战。当前一维Rashba效应大多呈现于重元素构成的纳米材料，其制备难度使它在应用技术方面受到极大限制。本项目拟基于第一性原理方法，通过选择强自旋轨道耦合元素吸附类石墨烯蜂窝状结构的纳米带，基于灵活可控的材料设计一类新型一维Rashba体系，并进一步研究外电场和应变对其性质的有效调控。拟基于“k空间内非常规的磁各向异性分布”的新视角，揭示Rashba体系中磁各向异性的一般规律及其内在机理。该项目将开拓新型一维Rashba体系或巨Rashba效应的设计思路，同时为设计电场/应力可控的一维Rashba体系提供理论指导。

对于高速低功率计算设备的开发，固体材料中自旋自由度的操控是最关键的科学问题之一。通常电子设备需要利用磁场实现自旋劈裂，然而Rashba效应可以在不依赖外磁场的情况下，利用空间对称性破缺来实现。.课题组全面地研究了Gd吸附石墨烯纳米带在外电场作用下的Rashba效应和垂直磁各向异性。同时，提出了Rashba效应和热电的结合点，并针对部分典型二维材料的低热导率材料设计及调控进行了合作研究。主要结果如下：（1）阐明了Gd吸附石墨烯纳米带的一维Rashba体系在外电场调控下的磁各向异性能，Rashba强度及边缘态行为，证实了操纵边缘态可作为一种调控Rashba效应的有效方式，并揭示了Rashba效应和磁各向异性能在外电场下变化的物理机制。（2）研究了二维MoSiGeN4体系在应变和层数调控下的电子结构及Rashba效应变化，发现MoSiGeN4价带顶处的Rashba效应在拉伸应力下呈现出了一种特殊的Lifshitz转变，并随着层数的增加发生不同的转变现象。（3）基于“Rashba效应”全局优化热电性能的视角，深入讨论了典型的高性能热电材料、传统热电性能优化策略及Rashba类热电材料，明确指出了Rashba效应在未来热电领域的发展前景和挑战。（4）证实了二维铁磁体CrI3中自旋-晶格耦合作用可以显著增强其热导率；发现了一类二维类石墨烯六角蜂窝状体系和二维矩形过渡金属硫族化合物的负泊松比现象；预测并分析了一批六角蜂窝状体系的低热导率行为，解释了GaxAl1−xN合金异常增大的热导率，并探索了Janus MoSSe在外电场调控下的热导率变化规律。.在Phys. Rev. B, npj Comput. Mater., Nanoscale, J. Phys. Chem. L,等国际主流期刊发表SCI收录论文15篇，授权发明专利1项。研究成果可启发人们通过外电场或化学修饰方式调控一维Rashba体系的边缘态来调控磁各向异性能和Rashba强度，并为开发高ZT值的Rashba型热电材料明确了研究方针，落实了突破ZT优化瓶颈及机制的后续研究方向。本项目关于Rashba效应及众多二维新型体系的基础物理研究，将在开发自旋电子器件和后续Rashba型热电器件应用中担任着重要角色，有望为解决新能源革命这一全球性难题提供基础性支撑。

内容获取失败，请点击重试