摘要
自旋轨道耦合效应（SOC），主要包括两种类型：由体反演不对称诱导的Dresselhaus效应和由结构反演不对称诱导的Rashba效应。在过去的几十年里，Rashba效应和Dresselhaus效应在二维电子气、半导体、异质结构、金属表面等多种体系中被观察到。本论文我们主要关注薄膜材料中的Rashba效应，随着纳米技术的发展以及器件小型化的需求，寻找低维或二维具有较强Rashba效应的材料成为了自旋电子学领域一个重要的研究方向。已有的理论和实验结果表明施加外场或应变可以有效调控低维薄膜材料中的Rashba效应，但对Rashba效应的有效非易失调控的报道尚少。本文基于第一性原理计算，以JanusMoSSe材料和Rashba铁电薄膜GeTe材料为例，通过与二维铁电材料CuInP2S6和In2Se3薄膜构建异质结，实现了对单层MoSSe薄膜Rashba效应的开关和增强。同时，通过构建GeTe/In2Se3异质结可以在非极性超薄GeTe薄膜中诱导出较强的Rashba效应，且本文中对Rashba效应的调控都是非易失性的。我们对异质结中MoSSe薄膜和GeTe薄膜Rashba效应的增强以及抑制的物理机制进行了仔细分析，分别从材料的电子结构、表面效应以及界面耦合作用等方面给出了明确解释，期待我们的研究结果可以为基于Rashba效应超薄自旋电子器件的设计和应用提供理论支撑。 我们的研究内容主要分为以下两个方面： 第一、CuInP2S6/MoSSe/CuInP2S6异质结中Rashba效应及调控 我们选取低维室温铁电材料CuInP2S6与单层JanusMoSSe构建异质结构，研究结果表明，MoSSe/CuInP2S6双层异质结只能实现对Rashba效应产生微弱影响，且无法通过翻转CuInP2S6铁电极化方向来调控Rashba效应。而在CuInP2S6/MoSSe/CuInP2S6三明治异质结中，可以通过对顶层铁电CuInP2S6单层极化取向的非易失调控，实现Rashba效应在价带顶Γ点附近位置的开启或关闭。我们发现三层异质结中MoSSe的Rashba系数相比独立MoSSe单层增强一个数量级。进一步分析得到，Rashba效应的增强是由于电荷从顶层CuInP2S6薄膜向MoSSe层或底部CuInP2S6薄膜转移，Cu原子能带向价带顶移动导致了价带顶Γ点附近Rashba自旋劈裂的消失。我们的结论是，构建CuInP2S6/MoSSe/CuInP2S6三层结构异质结可以对中间层MoSSe材料的Rashba效应进行有效调控。 第二、GeTe多层膜及GeTe/In2Se3异质结中的Rashba效应 铁电半导体GeTe中的体Rashba效应因其巨大的Rashba系数而受到广泛关注。然而，GeTe薄膜的Rashba效应在临界厚度(dc=2.1±0.5nm)以下会消失。因为随着薄膜变薄，实验发现[NanoLett.21,77(2021)]空间反演不对称性会消失，从而导致Rashba效应消失。我们分别构建了非极性和极性GeTe薄膜与铁电单层In2Se3薄膜形成的异质结，本论文我们仅考虑了界面为Ge原子与Se原子形成的强离子型相互作用的界面。计算结果表明，对非极性GeTe薄膜，构建异质结可以使GeTe薄膜中的Rashba效应从无到有；对极性GeTe薄膜与单层In2Se3构成的双层异质结，GeTe薄膜中的Rashba效应会得到增强，且通过外场翻转In2Se3层的自发极化指向GeTe薄膜时，可以使GeTe薄膜的Rashba效应得到更进一步的增强。以上所有的Rashba参数的变化均可以通过分析GeTe薄膜的内偏置场的方向和强度得到解释。同时，我们给出了Γ点附近Rashba自旋劈裂的自旋构型，并讨论了In2Se3铁电极化方向对自旋构型的影响。
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