中國(guó)科大在金屬有機(jī)rashba-dresselhaus材料設(shè)計(jì)方面取得重要進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊金龍?jiān)菏繄F(tuán)隊(duì)李星星課題組在金屬有機(jī)rashba-dresselhaus材料設(shè)計(jì)方面取得重要進(jìn)展：二維手性金屬有機(jī)骨架首次被開發(fā)為具有大自旋劈裂的rashba-dresselhaus半導(dǎo)體。相關(guān)成果以“obtaining giant rashba-dresselhaus spin splitting in two-dimensional chiral metal-organic frameworks”為題發(fā)表于國(guó)際知名期刊chemical science上。

rashba-dresselhaus（r-d）效應(yīng)是由空間反演對(duì)稱破缺環(huán)境下自旋軌道耦合作用導(dǎo)致的一種自發(fā)自旋劈裂現(xiàn)象。它提供了一種電場(chǎng)調(diào)控自旋的有效方法，其優(yōu)勢(shì)在于不需要材料本身具有磁性，從而避免了低維磁性材料居里溫度通常遠(yuǎn)低于室溫的問題。因此，具有大r-d自旋劈裂的半導(dǎo)體對(duì)于制造電場(chǎng)控制的自旋電子器件具有極大的吸引力。然而，目前報(bào)道的二維r-d半導(dǎo)體主要是無機(jī)材料，且數(shù)量有限。此外，影響自旋劈裂的潛在因素和實(shí)現(xiàn)大自旋劈裂的一般性方法還有待探索?？紤]到無機(jī)材料有限的可調(diào)性，研究人員將注意力轉(zhuǎn)向二維手性金屬有機(jī)骨架（cmofs）。二維cmofs是金屬有機(jī)骨架家族的重要子類，近年來受到廣泛關(guān)注，特別是在不對(duì)稱催化和對(duì)映選擇性應(yīng)用中。r-d自旋劈裂出現(xiàn)的基本條件之一是打破空間反演對(duì)稱。在這方面，缺乏反演和鏡像對(duì)稱的cmofs提供了一個(gè)天然的設(shè)計(jì)平臺(tái)。然而，在二維cmofs中是否能夠?qū)崿F(xiàn)和如何實(shí)現(xiàn)顯著的r-d自旋劈裂，以及手性與r-d效應(yīng)之間的相關(guān)性仍不清楚。

圖1.在二維手性金屬有機(jī)骨架中揭示決定rashba-dresselhaus自旋劈裂的五個(gè)要素。

針對(duì)以上問題，研究人員利用無機(jī)配體（-i, -br, -cl, -f, -cn, -h）配位的重金屬原子（sr-sn, ba-pb）作為節(jié)點(diǎn)，并使用軸向手性配體4,4'-聯(lián)吡啶衍生物作為連接體，構(gòu)造了系列cmofs材料?；诘谝恍栽碛?jì)算，在理論上通過三步篩選策略，獲得了一系列在價(jià)帶具有大自旋劈裂（高達(dá)97.2 mev）和大r-d耦合常數(shù)（高達(dá) 1.37 ev?）的二維r-d半導(dǎo)體。有趣的是，通過改變金屬有機(jī)骨架的手性，價(jià)帶的自旋紋理是可調(diào)的。最后，研究人員確定了在二維金屬有機(jī)骨架中獲得大r-d自旋劈裂的五個(gè)關(guān)鍵要素：（i）手性，（ii）強(qiáng)自旋軌道耦合，（iii）窄帶隙，（iv）價(jià)帶和導(dǎo)帶在γ點(diǎn)具有相同對(duì)稱性，(v) 強(qiáng)配體場(chǎng)。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)物理系博士生劉閃閃為第一作者，湖北文理學(xué)院徐可副教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院李星星教授為共同通訊作者。該研究工作得到了自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院的資助。

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（化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）