研究目的
研究锗衬底上生长的超薄铋膜中的自旋-电荷相互转换（SCI）现象，以利用量子尺寸效应提高自旋电子学应用中的SCI效率。
研究成果
研究表明，超薄铋薄膜中的量子尺寸效应显著提升了自旋相关电流（SCI）效率，在1-3纳米厚度的薄膜中观测到最明显的效果。这一发现为利用量子限制效应开发自旋电子器件开辟了新途径。
研究不足
该研究仅限于锗(111)衬底上的超薄铋薄膜。SCI效率高度依赖于薄膜厚度和形貌，这可能限制其适用于其他材料体系或构型。
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通过超薄铋膜中的量子限域调控自旋-电荷相互转换
DOI：10.1103/PhysRevB.98.184418
期刊：Physical Review B
出版年份：2018
更新时间：2025-09-10 09:29:36
摘要：
自旋-电荷相互转换（SCI）现象作为检测自旋电流或操控铁磁体磁化的手段，在自旋电子学领域日益受到关注。要充分利用这一特性，关键在于实现高转换效率、纳米级可扩展性以及与光电器件和自旋电子器件的集成能力。本研究显示，当超薄铋膜外延生长在Ge(111)衬底上时，纳米级铋岛产生的量子尺寸效应会显著提升SCI效率——即便在室温条件下亦然。通过X射线衍射、扫描隧道显微镜及自旋分辨角分辨光电子能谱技术，我们清晰揭示了薄膜形貌、晶体结构与电子结构特征。随后采用三种独立技术直接探测SCI：利用磁光克尔效应检测Rashba-Edelstein效应（REE）产生的电荷-自旋转换，通过光学自旋取向与自旋泵浦产生自旋电流并测量逆Rashba-Edelstein效应（IREE）引发的自旋-电荷转换。这三种技术仅在1-3纳米厚的铋膜中显示出显著SCI效应，对应锗表面存在的铋纳米晶体。由于三维量子限域效应，这些纳米晶体具有高阻体积区，其金属表面通过( I )REE效应实现SCI转换。当薄膜厚度增加时，连续的半金属铋膜会使相对表面的SCI效应相互抵消，导致平均SCI值逐渐衰减直至消失。该研究为量子尺寸效应在自旋电子学中的应用开辟了新途径。
作者：
C. Zucchetti，M.-T. Dau，F. Bottegoni，C. Vergnaud，T. Guillet，A. Marty，C. Beigné，S. Gambarelli，A. Picone，A. Calloni，G. Bussetti，A. Brambilla，L. Duò，F. Ciccacci，P. K. Das，J. Fujii，I. Vobornik，M. Finazzi，M. Jamet
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