石墨烯与 hBN 异质结构的电子、自旋轨道与自旋弛豫性质：基于第一性原理的研究

我们对由单层石墨烯与六方氮化硼（hBN）组成的异质结构进行了广泛的第一性原理计算。采用对称导出的极小紧束缚模型，我们提取了石墨烯置于 hBN 上以及 hBN 封装石墨烯的轨道与自旋轨道耦合（SOC）参数。我们的计算表明，这些参数依赖于石墨烯在 hBN 上具体的堆垛构型。我们还对不同石墨烯/hBN 堆垛进行了层间距离研究，以找出对应的最低能量距离。对于非常大的层间距离，从参数对层间距离的依赖性我们发现可恢复本征石墨烯性质。此外，我们发现轨道与 SOC 参数，尤其是 Rashba 参数，强烈依赖于外加横向电场，为自旋物理提供了丰富的可调空间。借助模型参数，我们采用 Dyakonov-Perel 形式体系计算石墨烯/hBN 异质结构中的自旋弛豫。我们发现自旋寿命处于纳秒量级，与近期测量一致。自旋弛豫各向异性，即面外与面内自旋寿命之比，在电荷中性点附近被发现为巨大量值，随掺杂增加而减小，并可被外部横向电场高度调控。这与双层石墨烯形成对比，在后者中外加电场使自旋弛豫各向异性饱和。