APL | 湘潭大学李金、唐超教授团队：石墨烯-石墨烷超晶格中的鲁棒光致纯自旋电流

光学伽伐尼效应（PGE）已被证明是在低维系统中产生纯自旋电流的有效方法。然而，获得强大且稳定的纯自旋电流仍然是一个巨大的挑战，因为大多数光照诱导的纯自旋电流只能在特定的偏振（相）角、光子能量下实现，或是需要调节电极的自旋排列。

围绕该课题，湘潭大学李金和唐超教授团队提出了一种在锯齿形石墨烯-石墨烷超晶格中获得鲁棒纯自旋电流的方案。通过第一性原理计算，发现基态下锯齿形石墨烯-石墨烷超晶格的电子结构为反铁磁半导体。不仅如此，基态下锯齿形石墨烯-石墨烷超晶格中的总电荷分布为中心反演对称，而每个自旋通道的自旋电荷分布分别具有镜面对称。由于系统具有的这些特性，在光子能量大于自旋间隙的偏振光照射下，系统可以产生纯自旋电流，并且纯自旋电流的产生可以不依赖于线偏振光和椭圆偏振光的光子能量或偏振（相）角，具有很强的鲁棒性。此外，由于超晶格的反铁磁特性与超晶格的尺寸无关，因此纯自旋电流的产生随尺寸的变化也展示出很强的鲁棒性，可以在不同宽度/不同氢化比例的锯齿形石墨烯-石墨烷系统中产生。

该研究不仅证明了石墨烯-石墨烷超晶格是纯自旋电流产生的有前景的候选材料，而且为利用石墨烯及其衍生物制造具有优异特性的微纳光电子器件提供了新的途径和理论依据。该研究表明空间反演对称反铁磁材料为产生纯自旋电流提供了一个有前景的平台，并且在未来自旋电子学应用方面具有潜力，特别是在实现可调纯自旋电流密度方面。相关结果如下：

图1 锯齿形石墨烯超晶格的几何构型，其中(N_H，N_C) = (6，6)：俯视图（a）和侧视图（b）。(N_H，N_C) = (6，6)的ZGSL双探针自旋光电流器件（c）。偏振光（红色螺旋箭头）沿z方向入射到中心散射区。灰色和浅蓝色球体分别代表碳原子和氢原子。

图2 偏振（相）角为45°时，(N_H，N_C) = (6，6)的ZGSL自旋光电流器件中自旋相关的光电流随光子能量的变化（a，b）。光子能量为0.6 eV时，自旋相关的光电流随偏振角θ（c）和相角φ（d）的变化。

图3 （N_H，N_C）=（6，6）的ZGSL器件中心散射区的自旋密度分布图（a），红色和蓝色分别表示自旋向上和自旋向下分量。ZGSLs系统中基于PGE的自旋光电流示意图（b）。

文章信息

Robust photo-induced pure spin current in graphene–graphane superlattices

Zhentao Fu; Pinglan Yan; Jin Li; Chaoyu He; Tao Ouyang; Chunxiao Zhang; Chao Tang; Jianxin Zhong

Appl. Phys. Lett. 124, 152401 (2024)

https://doi.org/10.1063/5.0202292