[论文解读] 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 40

一句话总结

本文提出，半导体中的螺旋位错（SDs）普遍表现出一种新型的一维自旋轨道耦合（SOC）效应，称为SD-SOC，该效应源于SDs的固有螺旋对称性，可在能带隙深处产生高度自旋相干的孤立态。与传统的二维Rashba-Dresselhaus SOC不同，1D SD-SOC表现出更优的自旋相干性，并可通过离子性调控以抑制自旋弛豫，使其在SiC、GaAs和Ge等材料中的自旋电子学应用中极具潜力。

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.

研究动机与目标

• 识别并表征半导体中螺旋位错（SDs）这一拓扑缺陷所引发的一种新型自旋轨道耦合（SOC）效应。
• 证明SD-SOC态在能带隙中天然孤立，避免与体相态混合，从而实现理想的自旋相干性。
• 表明一维SD-SOC的自旋纹理因受限于(0, π/2)而非(0, 2π)的自旋旋转范围，其自旋相干性高于传统的二维Rashba-Dresselhaus SOC。
• 研究通过化合物半导体的离子性调控SD-SOC强度与自旋纹理的可行性，旨在抑制自旋弛豫。
• 确立螺旋位错虽传统上被视为有害，但可通过第一性原理与紧束缚模型重新定位为坚固、内在的自旋电子学元件。

提出的方法

• 基于位错的螺旋对称性，理论推导一维-SD SOC哈密顿量，形式为HSD_1D = λe kz(cos(kz/2)σy − sin(kz/2)σx) + λc kz(cos(kz/2)σx − sin(kz/2)σy)，其中λe和λc代表SOC强度。
• 对Si/Ge、GaAs和SiC中的螺旋位错进行第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以获得能带结构、自旋纹理及SOC态。
• 通过紧束缚（TB）模型拟合DFT结果，提取SOC强度（λe和λc）的定量值，并验证理论哈密顿量。
• 系统分析自旋纹理随kz的变化，显示正弦依赖关系，并因C2对称性导致自旋旋转范围受限于(0, π/2)。
• 研究结构稳定性，包括应变和氢化对SDs的影响，并分析部分位错解离（如GaAs中）以评估SOC效应的鲁棒性。
• 比较元素半导体（Ge）与化合物半导体（GaAs、SiC）中的SD-SOC，以关联离子性与主导SOC项（λe与λc）的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 半导体中的螺旋位错是否能承载一种新颖的、内在的一维自旋轨道耦合效应，其本质区别于传统的二维Rashba-Dresselhaus SOC？
• RQ2 一维SD-SOC的自旋纹理在相干性与角度范围上如何区别于二维RD-SOC？其差异由何种对称性所支配？
• RQ3 SD-SOC的强度与性质在多大程度上可通过宿主半导体的离子性进行调控？以SiC、GaAs和Ge为例予以证明。
• RQ4 SD-SOC在应变、氢化或部分位错解离等结构扰动下是否仍保持鲁棒性？
• RQ5 一维SD-SOC态是否能与体带完全分离，以实现理想的自旋相干性并抑制自旋弛豫？

主要发现

• 由于其固有的螺旋对称性，螺旋位错在半导体中普遍表现出一维自旋轨道耦合（SD-SOC）效应，该对称性破缺了反演对称性并产生有效电场。
• SD-SOC态位于能带隙深处，与体带完全分离，确保了高度的自旋相干性，并最小化与非极化态的混合。
• 一维SD-SOC的自旋纹理被限制在狭窄的角度范围(0, π/2)内，与二维RD-SOC的(0, 2π)范围相比，显著提升了自旋相干性。
• 在Ge（低离子性）中，SD-SOC主要由第一项主导（λe = 0.0014，λc = 0.0001），表明在元素半导体中第一项占主导。
• 在GaAs（高离子性）中，第二项占主导（λc = 0.0092，λe = 0.0012），表明离子性增强了第二项SOC。
• 在SiC（中等离子性）中，两项贡献相等（λe = 0.0017，λc = 0.0018），导致自旋取向在[110]方向固定，从而实现理想的、动量无关的自旋输运并抑制自旋弛豫。