室温下范德华异质结构中的全电学自旋场效应晶体管

自旋电子学旨在利用固态器件中的自旋自由度进行数据存储和信息处理技术。诸如自旋极化的产生、操控和检测等基本自旋电子学器件概念，已在半导体和自旋晶体管结构中通过电学和光学方法得到演示。然而，该领域一个尚未解决的挑战是在室温下实现全电学方法控制自旋极化和自旋晶体管操作。为此，二维（2D）晶体提供了一个独特的平台，因为它们具有显著且截然不同的自旋电子学特性，例如石墨烯中的弱自旋轨道耦合（SOC）和二硫化钼（MoS$_2$）中的强 SOC。在此，我们将石墨烯和 MoS$_2$ 组合在一个范德华异质结构中，以实现对自旋极化和自旋寿命的电学控制，并在非局域测量几何构型中演示了室温下的自旋场效应晶体管（spin-FET）。我们在室温下观察到，由于纯自旋输运产生的自旋阀信号和石墨烯沟道中与 MoS$_2$ 邻近的 Hanle 自旋进动信号受到电学栅压调控。我们表明，这种对自旋极化和寿命前所未有的控制源于对 MoS$_2$/石墨烯界面处肖特基势垒和 MoS$_2$ 沟道电导率的栅压调控，从而导致与高 SOC 材料的自旋相互作用。在室温下于 spin-FET 器件中实现全电学产生、输运和控制自旋极化，是自旋电子学领域迈出的实质性一步。它为自旋、电荷和轨道自由度之间的相互作用开辟了一个新平台，可用于检验大量奇异的物理现象，这些现象可能成为未来器件架构的关键构建模块。