[論文レビュー] Ubiquitous Ideal Spin-Orbit Coupling in a Screw Dislocation in Semiconductors

Lin Hu, Huaqing Huang+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2018

Quantum and electron transport phenomena参考文献 34被引用数 40

ひとこと要約

本論文は、半導体内のねじりミクロ欠陥（SD）が、内在的なヘリカル対称性に起因し、バンドギャップ深部に位置する高スピン整合性を示す新しい1次元スピン軌道結合（SOC）効果（SD-SOC）を普遍的に有すると提案する。従来の2次元ラシュバ＝ドレゼルハウスSOCとは異なり、1次元SD-SOCは優れたスピン整合性を示し、イオン性を制御することでスピン緩和を抑制可能であり、SiC、GaAs、Geなどの材料におけるスピントロニクス応用に最適である。

ABSTRACT

We theoretically demonstrate that screw dislocation (SD), a 1D topological defect widely present in semiconductors, exhibits ubiquitously a new form of spin-orbit coupling (SOC) effect. Differing from the widely known conventional 2D Rashba-Dresselhaus (RD) SOC effect that typically exists at surfaces/interfaces, the deep-level nature of SD-SOC states in semiconductors readily makes it an ideal SOC. Remarkably, the spin texture of 1D SD-SOC, pertaining to the inherent symmetry of SD, exhibits a significantly higher degree of spin coherency than the 2D RD-SOC. Moreover, the 1D SD-SOC can be tuned by ionicity in compound semiconductors to ideally suppress spin relaxation, as demonstrated by comparative first-principles calculations of SDs in Si/Ge, GaAs, and SiC. Our findings therefore open a new door to manipulating spin transport in semiconductors by taking advantage of an otherwise detrimental topological defect.

研究の動機と目的

• 半導体内のねじりミクロ欠陥（SD）というトポロジカル欠陥に起因する、新たなスピン軌道結合（SOC）の特定と特性評価。
• SD-SOC状態がバンドギャップ内で本質的に分離していることの証明により、バルク状態との混合を回避し、理想のスピン整合性を実現すること。
• 1次元SD-SOCのスピンテクスチャが、回転範囲が(0, 2π)ではなく(0, π/2)に制限されたことにより、従来の2次元ラシュバ＝ドレゼルハウスSOCよりも高いスピン整合性を示すことの解明。
• イオン性を介した化合物半導体におけるSD-SOC強度およびスピンテクスチャのチューニング可能性の調査により、スピン緩和の抑制を目的とする。
• 従来、有害視されてきたSDを、第一原理およびタイトバインディングモデルを用いて、本質的で頑健なスピントロニクス素子に再利用可能であることを確立すること。

提案手法

• ねじりミクロ欠陥のスクリューサイミメトリを基に、1次元-SD SOCハミルトニアンを理論的導出。形式 HSD_1D = λe kz(cos(kz/2)σy − sin(kz/2)σx) + λc kz(cos(kz/2)σx − sin(kz/2)σy) を用い、λe および λc はそれぞれSOC強度を表す。
• Si/Ge、GaAs、SiCにおけるSDのバンド構造、スピンテクスチャ、SOC状態を計算するため、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施。
• DFT結果に一致するようにタイトバインディング（TB）モデルをフィッティングし、定量的なSOC強度（λe および λc）を抽出し、理論的ハミルトニアンの妥当性を検証。
• kzの関数としてのスピンテクスチャの進化を系統立てて分析し、正弦関数的依存性およびC2対称性に起因する回転範囲の制限（0, π/2）を示す。
• 構造的安定性の調査として、歪みおよび水素化効果の影響を評価し、部分的ミクロ欠陥解離（例：GaAs）の分析により、SOC効果の頑健性を検証。
• Ge（元素系）とGaAs、SiC（化合物系）におけるSD-SOCの比較により、イオン性と支配的SOC項（λe 対 λc）の相関関係を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半導体内のねじりミクロ欠陥は、従来の2次元ラシュバ＝ドレゼルハウスSOCとは根本的に異なる、新しい内在的1次元スピン軌道結合を有するか？
• RQ2 1次元SD-SOCのスピンテクスチャは、2次元RD-SOCと比較して、整合性および回転角度範囲においてどのように異なるのか？この差を規定する対称性は何か？
• RQ3 SiC、GaAs、Geにおける実証例に基づき、ホスト半導体のイオン性によってSD-SOCの強度および性質がどの程度チューニング可能か？
• RQ4 歪み、水素化、または部分的ミクロ欠陥解離といった構造的摂動に対して、SD-SOCは頑健か？
• RQ5 1次元SD-SOC状態はバルクバンドから分離可能であり、理想のスピン整合性を達成し、スピン緩和を抑制できるか？

主な発見

• ねじりミクロ欠陥は、その内在的なヘリカル対称性に起因し、逆転対称性の破れと有効電場の生成を伴い、半導体内で普遍的に1次元スピン軌道結合（SD-SOC）効果を有する。
• SD-SOC状態はバンドギャップ深部に位置し、バルクバンドから分離されているため、高スピン整合性を示し、非極化状態との混合が最小限に抑えられる。
• 1次元SD-SOCのスピンテクスチャは、(0, π/2)の狭い角度範囲に制限されており、2次元RD-SOCの(0, 2π)範囲と比較して、顕著にスピン整合性が向上している。
• Ge（低イオン性）では、第一項（λe = 0.0014）が支配的であり、λc = 0.0001であるため、元素半導体では第一項が優勢であることが示された。
• GaAs（高イオン性）では、第二項（λc = 0.0092）が支配的であり、λe = 0.0012であるため、イオン性が第二SOC項を強化することが明らかになった。
• SiC（中程度イオン性）では、両項が等しく寄与（λe = 0.0017、λc = 0.0018）し、[110]方向に固定されたスピン配向が得られ、これが、運動量依存性のない理想のスピン輸送とスピン緩和の抑制を可能にする。