第四族材料中自旋弛豫的全第一性原理理论

我们提出了一种普遍适用的无参数第一性原理方法来确定电子自旋弛豫时间，并将其应用于技术重要的第四族材料：硅、金刚石和石墨。我们专注于Elliott-Yafet机制，其中自旋弛豫由声子和杂质的动量散射诱导。在硅中，我们发现声子限制的自旋弛豫时间T$_1$具有$\sim T^{-3}$的温度依赖性，室温下值为4.3 ns，与实验一致。对于金刚石和石墨中的声子主导区域，我们预测了更强的$\sim T^{-5}$和$\sim T^{-4.5}$依赖性，将T$_1$（300 K）分别限制为180 ns和5.8 ns。本研究的一个关键方面是，我们方法的无参数性质提供了一种研究{\em 任何}类型杂质或缺陷对自旋输运影响的方法。此外，我们发现硅中的自旋混合振幅不遵循通常归因于III-V族半导体的$E_g^{-2}$带隙依赖性，而是遵循更弱且相反的$E_g^{0.67}$依赖性。在构建硅自旋输运模型时应考虑这种依赖性。