半導體自旋動力學的第一性原理理論取得新進展
物理學院“低維物理與器件實驗室”團隊及其國際合作團隊在半導體自旋動力學第一性原理理論研究方面取得了新的進展。 研究結果發表在Nature Communications（Nature Communications 15， 188， 2024）上，標題為〈How Spin Relaxes and Dephases in Bulk Halide Perovskites〉。 鈣鈦礦鹵化物具有優異的光電效能，在太陽能電池和發光器件等研究領域受到廣泛關注。 同時，由於這些材料具有高效的自旋產生、長自旋壽命和高度可調的自旋軌道耦合場等特點，被認為在半導體自旋電子學中具有巨大的應用潛力，並開展了許多相關的實驗和理論研究。
鹵化物鈣鈦礦的自旋壽命作為決定其在自旋電子學領域應用前景的關鍵引數，已被廣泛測量，但尚未在第一性原理上得到充分研究。 有必要使用準確的第一性原理方法系統地模擬鹵化物鈣鈦礦的自旋壽命，以充分了解其自旋弛豫和退相機制，並確定影響其自旋壽命的關鍵因素。
圖1塊狀鹵化物鈣鈦礦的自旋弛豫和退相 cspbbr3. （a） 正交系統結構示意圖 CSPBBR3;（b） 不同載流子濃度下自旋弛豫時間t1隨溫度的理論結果和實驗資料比較（c）、（d） 和 （e） 是電子和空穴的 lande g 因子。 g 因子決定了自旋在外部磁場中的運動。 其中，（c）為能帶邊緣附近不同k點的g因子，（d）為平均g因子，（e）為g因子的波動範圍（f） 不同載流子濃度下系綜自旋退相時間（t2*）與橫向外磁場倒數變化的理論結果和實驗資料的比較。
該團隊使用自主開發的第一性原理密度矩陣主方程方法模擬了典型鹵化物鈣鈦礦CSBBR3（圖1A）的自旋弛豫時間（T1，見圖1b）和自旋退相時間（T2*，圖F）。 該方法準確地考慮了自洽自旋軌道耦合（SoC），並包含了電子-聲子散射過程的量子描述。 因此，該團隊準確地估計了材料的固有自旋壽命（見圖1b），從而設定了自旋壽命的上限，並研究了自旋壽命對溫度、外場、載流子密度和缺陷的依賴性。 該團隊進一步確定了CSPBB3的自旋弛豫機制，其中主導載流子弛豫的Frohlich電聲相互作用對自旋弛豫的貢獻可以忽略不計。 這種現象源於Frohlich電聲相互作用中自旋的弱相關性。 該團隊還實現了固體中Lande G因子的第一性原理模擬（見圖1c，d，e），並將其引入自旋動力學模擬中，使團隊能夠準確模擬外場中的自旋退相現象（見圖1f）。 最後，該團隊研究了空間反演對稱性破壞對自旋壽命的影響。 理論結果表明，當自旋解理較大時，所謂的“永久自旋螺旋”可以增加自旋壽命，但Rashba自旋軌道耦合場會降低自旋壽命。 該團隊的理論方法為優化鹵化物鈣鈦礦材料的自旋和載流子輸運特性提供了一種新方法。
合肥工業大學為首批簽約單位。 合肥工業大學物理學院徐俊清教授為第一作者，美國威斯康星大學副教授袁平、倫斯勒理工學院副教授R**Ishankar Sundararaman、猶他大學教授Valy Vardeny為共同通訊作者。 該研究由合肥工業大學人才引進條件建設基金和美國自然科學**專案資助。
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高靈敏度矽基超窄帶探測器領域取得重要進展
微電子學院先進半導體器件與光電整合實驗室王立副教授、羅林寶教授成功研製出一種基於單p型矽肖特基結的超靈敏近紅外窄帶光電探測器。 研究結果以“Ultra-sensitive narrow-band p-si schottky photodetector with good w**elength selectivity and low driving voltage”為封面文章，發表在半導體器件領域知名期刊IEEE Electron Device Letters上。 
圖1IEEE Electron Device Letters 2024 第 1 期封面
由於窄帶光電探測器僅對目標波長敏感，能有效抑制背景雜訊光的干擾，因此在機器視覺、特定波段成像、光通訊和生物材料識別等領域具有重要的應用價值。 然而，現有的窄帶探測機制，如濾光片的加入、電荷收集的變窄或熱電子效應，普遍存在量子效率低的問題。 為了提高窄帶檢測的靈敏度，研究人員通過在有源層中引入電荷阱進行介面隧穿注入，或使用場增強激子電離過程，在器件內實現了光倍增效應。 然而，這些機制通常需要數十伏的更高電壓才能啟用，導致窄帶探測器的效能下降和高執行能耗。
基於對上述問題的深入分析，研究團隊提出並實現了一種可以在低驅動電壓下工作的高靈敏度窄帶光電探測器。 通過使用雙層肖特基電極，增加光生電子與空穴之間的躍遷時間差，在保證高波長選擇性的前提下，大大提高了器件的光電轉換效率。 該探測器僅在1050nm附近有乙個檢測峰，對紫外光和可見光幾乎沒有反應。 該裝置的比檢出率為414 1012 Jones，線性動態範圍約為128dB。 當工作偏置電壓從0V增加到-3V時，該器件的外部量子效率範圍為962%顯著增加至6939%，而探針峰的半高和半寬在約74nm處保持不變。 這一成果為實現可在低驅動電壓下工作的超高靈敏度窄帶光電探測器提供了新的思路，有望在光電子領域得到廣泛應用。
圖2（a） 零偏壓下器件中光強分布的模擬結果;（b） 器件在不同波長下的電流-電壓曲線;（c） 線性動態範圍;（d） 器件在不同偏置電壓下外部量子效率的波長曲線。
上述工作得到了國家自然科學計畫、安徽省重點研發計畫、安徽省自然科學計畫、高校基礎科學研究專項資金的資助。
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多功能二維鐵磁半導體材料設計取得新進展
物理學院低維半導體材料設計與器件模擬組李忠軍教授課題組運用第一性原理計算和分子動力學模擬方法，巧妙地引入氮原子（N）連線磁性鉻原子（Cr）產生協同效應，設計了居里溫度高的二維范德華鐵磁半導體CR3（CN3）2， 高載流子遷移率、高光吸收率和高穩定性。研究結果發表在Nano Letters上，題目為〈Enhanced Direct Exchange Interaction and Hybridization by Single-Atom Linkers for High Curie Temperature and Superior Visible-Light Harvesting in CR3（CN3）2〉。 二維范德華鐵磁半導體在自旋電子學和自旋光電子學領域顯示出重要的應用潛力。 然而，在實現基於此類材料的高效能自旋器件方面，仍有一些關鍵問題需要解決。 首先，報道了二維范德華鐵磁材料的磁性金屬原子之間的D-p-D超交換，居里溫度遠低於室溫，嚴重限制了材料在室溫環境下的應用; 其次，這些接近費公尺能級的二維范德華鐵磁材料的電子結構具有明顯的平帶特性，導致載流子有效質量大，遷移率低，自旋電荷輸運表現出明顯的局域化; 此外，這些材料通常具有或大或小的帶隙和較差的光吸收。
圖1（a） 二維Cr3（CN3）2中Cr、C和N原子自旋極化軌道的能帶中心;（b，c）磁交換機理示意圖。
為了解決上述問題，本文提出了利用單個N原子連線磁性金屬CR原子的二維范德華鐵磁半導體的開發，該材料具有高居里溫度、高載流子遷移率、高光吸收率和高穩定性，提出了利用單個N原子連線磁性金屬CR原子，構建基於二維Kagome結構的金屬有機框架CR3（CN3）2。 結果表明，二維Cr3（CN3）2是一種鐵磁半導體，具有106EV的直接帶隙和麵外易磁軸。 以單個原子N為連線單元，一方面可以最小化磁性Cr原子之間的距離，另一方面，Cr和N原子的dyz DXZ和Pz軌道在能量和對稱性方面具有優異的匹配特性（圖1），兩者協同增強了磁交換相互作用。 基於海森堡模型的蒙特卡羅模擬表明，該系統的居里溫度高達943 K（圖2），這是迄今為止金屬有機框架鐵磁半導體的最高記錄。 此外，Cr和N原子軌道在能量和對稱性方面的優異匹配特性也使得系統表現出較強的軌道雜化，增強了能帶色散，獲得了420 cm2·v 1·s 1的載流子遷移率。 此外，二維Cr3（CN3）2的適度直接帶隙和對稱匹配的價帶和導帶使得系統表現出較強的光吸收特性，在面內應力的調控下，在可見光範圍內顯著增強。 本文以石墨烯為電極，六方氮化硼為保護層，構建了二維Cr3（CN3）2基夾層異質結，驗證了其作為自旋光電子器件的可行性。
圖2二維Cr3（CN3）2的幾何形狀、載流子遷移率、居里溫度和光吸收係數.
本工作揭示了N原子與磁性Cr原子附著的協同作用和機理，表明二維Cr3（CN3）2是一種理想的鐵磁半導體，研究結果為設計和製備具有高居里溫度、高載流子遷移率、高光吸收和高穩定性的多功能二維鐵磁半導體提供了新的思路。
合肥工業大學為第一簽署人，合肥工業大學劉曉峰博士和王海迪副研究員為共同第一作者，合肥工業大學李忠軍教授、中國科學技術大學胡偉研究員、香港城市大學曾曉成教授為共同通訊作者。 上述研究工作得到了科技部重點研發計畫、國家自然科學、合肥工業大學基本科研業務費專項資金、合肥工業大學超級計算中心等單位的支援。
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* 物理學院、微電子學院。
編輯：張慶昊。
責任編輯：魏婷婷。
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