0 1引言

自旋輸運的調控一直是自旋電子學研究領域的中心課題。到目前為止，沿著這條路線兩個著名的發現是半金屬輸運和純自旋流的預測，前者實現了100%自旋極化的單自旋輸運，后者表征為兩個自旋通道非零均等概率、流向相反的零凈電荷電流，兩者均在自旋電子器件領域中引起了極大的關注。相比之下，如何將材料中空間重疊路徑上的兩個自旋通道分離成兩個孤立的分支，在終端同時獲得兩種自旋極化電流，在概念上要復雜得多，也更具有挑戰性。在這項工作中，我們基于鐵磁鋸齒型石墨烯納米帶右半部分的中心嵌入一個 h-BN 構建的雙界面異質結構器件中實現了這一想法。

0 2成果簡介 本項目基于基于密度泛函理論結合非平衡格林函數方法，利用鴻之微Nanodcal軟件包，研究了基于鐵磁 11鏈寬鋸齒型石墨烯納米帶，以及一條 5鏈寬鋸齒型硼氮納米帶嵌入到其中心區右半部分所構成的 h-BN/graphene橫向異構器件的量子輸運特性。散射態結果表明，h-BN的嵌入類似于一個完美的自旋分離器，即電子經過中心區散射后，兩個空間路徑混合的自旋電流被分成兩個分支，每個分支承載一個自旋電子通道。通過對異質結構原子磁矩及電子特性的計算分析，揭示了界面效應和邊緣效應對納米帶的作用機制。考慮界面空位和界面無序的存在對本研究中所提出自旋分離器量子輸運性質的影響，發現其僅對器件電子透射譜產生了些微的干擾，而兩個量子自旋通道始終穩定存在。在上述基礎上，進一步討論了自旋分離機制的普適性，在具有相似幾何結構和電子結構的鋸齒型鋁磷/硅烯納米帶雙邊橫向異質結構中，類似于 h-BN，鋁、磷的存在打破了鋸齒型硅烯納米帶對稱性勢場，電子通過這一中心區時，同樣實現了穩定的自旋分離和 100%自旋極化輸運。

0 3圖文導讀

圖 1 (a) h-BN/graphene 自旋分離器件模型圖; (b) 器件中心區的俯視圖; (c)和(d) 分別為器件自旋向上和自旋向下的透射函數以及相應的電子散射態分布。

圖 2 (a) 雙探針器件模型(M0)，中心區域的上邊緣有一個長為 12 條碳二聚體，寬為 8 條鋸齒碳鏈的矩形缺陷；(b)-(d) B-C 界面器件模型(M1)，N-C 界面器件模型(M2)和雙界面C3(BN)5C3 器件模型(M3)中心區俯視圖；(e)-(f) M0-M3 自旋相關透射函數

圖 3 M0-M3 自旋相關的電子散射態分布

圖 4 (a) 和 (b) B-C 界面和 N-C 界面異質結單胞原子旋磁矩分布曲線；(c) 以 B-C 為例， 11-(NB)mCn 以及 11-ZGNR 電子能帶結構；(d) 內建電場作用模型；(e) 異質結價帶和導帶邊沿態分布；(f) 考慮 h-BN 作用前后邊沿態導帶和價帶位置示意圖

圖 5 界面空位和界面無序對自旋分離效應的影響

圖 6自旋分離效應的應用拓展--以鋸齒型 ZAlPNR/ZSiNR 橫向異質結為例

0 4小結 本項目通過鴻之微Nanodcal軟件計算h-BN/graphene 橫向異質結的電子結構和量子輸運特性，提出了一種有趣的自旋輸運調控機制--自旋分離器。有別于僅能實現單自旋輸運的傳統自旋過濾器件，該方案通過 B-C 與 N-C 界面調控，不僅保留了單一界面異構器件所具有的 100%自旋極化輸運特性，而且能夠在空間上產生兩種自旋通道，同時獲得兩束自旋取向相反的完全自旋極化電流。這源于 B-C 和N-C界面極化效應形成的方向相反的極化場，同時作用于被 h-BN納米帶隔開兩側窄 n-ZGNRs，使其具有不同自旋極性的半金屬豐度。此外，在異質界面處存在空位缺陷或紊亂情況下，也能夠實現穩定的自旋分離，為其在實際應用中的穩定性提供了一定的理論依據。該自旋分離器的設計理念不僅限于鋸齒型石墨烯納米帶，它可以推廣至其他具有相似幾何結構和電子結構的類石墨烯體系中。這一研究結果為低維自旋電子學器件中的自旋輸運調控提供重要的借鑒意義。