石墨烯置于二维六方 BN、AlN 和 GaN 上：电子、自旋轨道与自旋弛豫性质

我们通过 DFT 计算研究了石墨烯在一系列二维六方氮化物绝缘体 hXN（X = B、Al 和 Ga）上的电子结构。采用基于对称性的模型哈密顿量，从邻近效应石墨烯的低能狄拉克能带中提取轨道参数和自旋轨道耦合（SOC）。尽管共格的 hBN 在狄拉克能带中引入了约 10 meV 的交错势，晶格匹配较差的 hAlN 和 hGaN 对狄拉克点的破坏要小得多，给出的交错带隙低于 100 $\mu$eV。邻近诱导的本征 SOC 出人意料地并未比原始石墨烯的 12 $\mu$eV 值增加太多；它保持在 (1-16) $\mu$eV 窗口内，且强烈依赖于堆垛方式。然而，Rashba SOC 随硼族原子序数的增加而急剧增大，计算所得最大值分别为 B、Al 和 Ga 基氮化物的 8、15 和 65 $\mu$eV。各 Rashba 耦合也强烈依赖于堆垛，在对称夹心结构中消失，并可由横向电场调控。提取的自旋轨道参数被用作基于自旋期望值时间演化的切比雪夫展开的输运模拟输入，从而对电子自旋弛豫给出了有趣的预测。自旋寿命的大小和各向异性强烈依赖于具体的 (hXN)/石墨烯/hXN 体系，并且可以通过外加电场以及石墨烯层中的载流子密度进行有效调控。一个对实验特别有趣的案例是石墨烯/hGaN，其中预测巨大的 Rashba 耦合会诱导出 1-10 ns 的自旋寿命，短到足以主导其他机制，并导致与常规半导体异质结构中观察到的相同的自旋弛豫各向异性：50%，即面外自旋的弛豫速度是面内自旋的两倍。