[论文解读] Direct band gap and strong Rashba effect in van der Waals heterostructures of InSe and Sb single layers

Dangqi Fang, Siyu Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2020

2D Materials and Applications参考文献 62被引用 6

一句话总结

本研究通过从头算计算研究了InSe/Sb范德华异质结，揭示了由于自旋-轨道耦合和反演对称性破缺，在导带边存在直接带隙和强Rashba自旋分裂。通过面内双轴应变或面外电场可有效调控Rashba分裂，使该异质结成为低温下自旋电子学和光电子学器件的有前途候选材料。

ABSTRACT

Van der Waals heterostructures formed by stacking different types of 2D materials are attracting increasing attention due to new emergent physical properties such as interlayer excitons. Recently synthesized atomically thin indium selenide (InSe) and antimony (Sb) individually exhibit interesting electronic properties such as high electron mobility in the former and high hole mobility in the latter. In this work, we present a first-principles investigation on the stability and electronic properties of ultrathin bilayer heterostructures composed of InSe and Sb single layers. The calculated electronic band structures reveal a direct band gap semiconducting nature of the InSe/Sb heterostructures independent of stacking pattern. Taking spin-orbit coupling into account, we find a large Rashba spin splitting at the bottom of conduction band, which originates from the atomic spin-orbit coupling with the symmetry breaking in the heterostructure. The strength of the Rashba spin splitting can be tuned by applying in-plane biaxial strain or an out-of-plane external electric field. The presence of large Rashba spin splitting together with a suitable band gap in InSe/Sb bilayer heterostructures make them promising candidates for spin field-effect transistor and optoelectronic device applications.

研究动机与目标

• 研究InSe/Sb双层范德华异质结的稳定性和电子性质。
• 确定异质结是否在所有堆叠构型下均表现出直接带隙。
• 分析由于自旋-轨道耦合和对称性破缺导致的Rashba自旋分裂的起源及其可调性。
• 探讨面内双轴应变和面外电场对Rashba效应及能带结构的影响。
• 评估InSe/Sb异质结在自旋场效应晶体管和光电子学器件应用中的潜力。

提出的方法

• 采用VASP中的投影缀加平面波方法进行从头算密度泛函理论（DFT）计算。
• 通过PBE+SOC泛函引入自旋-轨道耦合（SOC），以捕捉Rashba型分裂。
• 系统分析多种堆叠构型（如AC′）以确定最稳定的结构。
• 施加-3%至3%的面内双轴应变，以探测电子性质的机械可调性。
• 施加-0.2 V/Å至0.2 V/Å的面外电场，以研究静电场对Rashba效应的调控。
• 计算Rashba参数（αR）、Rashba能量（ER）和动量偏移（kR），以量化自旋分裂强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 InSe/Sb范德华异质结是否在所有堆叠模式下均表现出直接带隙？
• RQ2 InSe/Sb异质结中Rashba自旋分裂的起源是什么？其是否主要由原子自旋-轨道耦合主导？
• RQ3 Rashba自旋分裂能否通过外部机械应变或电场实现调控？
• RQ4 面内双轴应变和面外电场如何影响带隙和自旋分裂能量？
• RQ5 该异质结能否支持实际的自旋电子学或光电子学器件应用？

主要发现

• 在所有低能量堆叠构型中，InSe/Sb异质结均表现出直接带隙，结合能为20.5至21.6 meV/Ų。
• 由于自旋-轨道耦合和反演对称性破缺，在Γ点附近的导带最小值处观察到高达13.4 meV的强Rashba自旋分裂。
• Rashba参数αR从-3%压缩应变下的0.8 eV·Å增加到3%拉伸应变下的1.58 eV·Å，表明其具有强应变可调性。
• Rashba能量ER随应变单调增加，并与外加电场几乎呈线性关系，从-3%应变下的4 meV增加到3%应变下的13.4 meV。
• 带隙在电场作用下保持稳定，从-0.2 V/Å到0.2 V/Å范围内仅在0.53 eV至0.47 eV之间变化，保持半导体行为。
• 在3%拉伸应变下，层间距离从2.74 Å减小至2.53 Å，增强了界面相互作用并提高了Rashba参数。