自旋-层锁定场效应管的栅极调控及其在单层 LuIO 中的应用

近期一种二维自旋场效应管（spinFET）概念提出，在具有强且相反本征 Rashba 效应的两个独立子层之间以静电方式进行切换。该概念利用了存在于具有局域偶极场的中心对称材料中的自旋-层锁定机制，其中弱电场即可轻易地仅操控其中一个自旋通道。在此，我们提出该族中的一种新型单层材料：氧碘化镥（LuIO）。它在二维材料中表现出最大的 Rashba 效应之一（高达 $k_R = 0.08$ {\AA}$^{-1}$），导致自旋仅在 1 nm 内发生 $\pi/2$ 旋转。该单层已被预测可从实验已知的相应三维块体材料中剥离得到，其结合能甚至低于石墨烯。我们通过第一性原理模拟表征并建模了此类器件中两个栅极调控参数——掺杂与自旋通道选择——的相互作用。我们表明，在能量上分离自旋通道的能力随掺杂而减弱，从而得出可适用于所有基于自旋-层锁定器件的特定栅极操作准则。