超薄黑磷中空穴的卓越自旋输运
介观与纳米尺度物理
2025-02-21 v1 材料科学
摘要
开发能效高的基于自旋的混合器件，以实现逻辑、通信和存储等功能，要求能够在半导体中实现高度偏振的自旋电流并实现长距离传输。虽然传统半导体如硅支持自旋输运，但由于依赖外掺杂，载流子类型和浓度对重要自旋参数的影响尚不明了，外掺杂可能导致额外的动量及自旋散射。二维半导体则可通过场效应掺杂调节载流子类型和浓度，且具有固有的长自旋寿命，使其成为理想的自旋输运平台。本文研究了基于窄带隙黑磷的可调势阱自旋阀，使我们能够在非局部几何下系统性地探讨随空穴和电子浓度变化的自旋输运。我们的发现表明，达到近似固有极限的纯净自旋输运，尤其在低空穴掺杂范围内。我们实现了最高350欧姆的非局部信号和超过16纳秒的自旋寿命。与典型半导体不同，我们发现黑磷中空穴的自旋输运性能显著优于电子，Elliott-Yafet过程为主要的自旋散射机制。观察到可调势的纳秒级自旋寿命和在p型和n型黑磷中巨大的纯净自旋信号，为开发需锐利p-n界面接合的新型半导体自旋器件提供了前景。
关键词
引用
@article{arxiv.2502.14588,
title = {Superlative spin transport of holes in ultra-thin black phosphorus},
author = {Jiawei Liu and Deyi Fu and Tingyu Qu and Deqiang Zhang and Kenji Watanabe and Takashi Taniguchi and Ahmet Avsar and Barbaros Ozyilmaz},
journal= {arXiv preprint arXiv:2502.14588},
year = {2025}
}