近日，厦大物理宽禁带半导体研究团队在半导体自旋电子学领域取得重要进展。通过优化自旋隧穿结构，首次在大气稳定的二维半导体中实现室温自旋注入，补足了二维材料在自旋电子器件中的应用短板。研究成果发表于Advanced Materials。
自旋电子学通过引入自旋自由度，为后摩尔时代电子器件的发展提供了一条有潜力的途径。对于自旋半导体器件，高效的自旋注入、输运及检测至关重要的。二维层状材料得益于低界面缺陷、晶格失配耐受性强、载流子动量限域等优势，是理想的半导体沟道材料。然而，目前仅在黑磷、MoS2等少数几种二维半导体中有自旋注入的报道，且空气稳定性差、依赖低温环境。相对而言，二维层状半导体GeSe稳定性高，且自旋轨道耦合（SOC）适中、自旋弛豫较弱，有望成为优良的自旋注入和输运载体。
图1. 隧穿电极结构分别为CoFeB/MgO与CoFeB/h-BN的GeSe自旋阀的非局域磁电阻测试结果及自旋极化率的偏置电流依赖性。
研究对比了不同电极结构对室温自旋注入特性的影响，并探究了自旋极化率的偏置电流依赖性。通过构建CoFeB/h-BN自旋隧穿电极，在GeSe中成功实现了高达18.31%的自旋极化率，室温下自旋扩散长度为255.98 nm，自旋寿命长达17.6 ns，超越了石墨烯12.6 ns的记录。
图2. GeSe自旋输运各项异性的探究。
研究者通过第一性原理计算，提取了GeSe在Armchair（AC）与Zigzag（ZZ）晶向方向上的有效质量，揭示了GeSe沿AC与ZZ方向各向异性的Rashba SOC系数。沿AC与ZZ方向的非局域磁电阻测试结果表明，在GeSe中AC轴相比ZZ轴具有更为优异的自旋输运特性。
图3. GeSe中自旋输运的背栅压依赖性研究。
进一步施加背栅压，在GeSe中引入垂直方向的电场，将使载流子感受到一个有效磁场。这一有效磁场平行于载流子的自旋方向，当载流子发生随机的动量散射时，有效磁场不再平行于载流子的自旋方向，使得载流子发生随机的自旋进动，降低了载流子的自旋极化率。实验与理论分析表明，更高的栅压增强了载流子的自旋退相干，如图3所示，非局域磁电阻随栅压的增大而降低。
相关研究成果以“Giant and anisotropic spin relaxation time in van der Waals GeSe with Gate-Tunability”为题，于2025年6月17日在线发表在Advanced Materials上。 第一作者为22级硕士研究生吴世明，吴志明教授、吴雅苹教授、李煦副教授为本文通讯作者，宽禁带半导体研究团队蔡端俊教授等为本工作提供了重要支持。该研究得到国家自然科学基金项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202501618
