进展 | 铁电Rashba半导体α-GeTe的非互易电荷输运

对于非中心对称体系，在打破时间反演对称性后，其电荷输运性质可表现出非互易性，即单向磁电阻。不同于重金属/铁磁体或者拓扑绝缘体/铁磁体异质结的单向磁电阻，非中心对称体系的非互易输运并不需要磁性界面的参与。近年来，人们在极性半导体、拓扑绝缘体以及界面/表面Rashba等体系中观测到大的非互易电荷输运特性，但是非互易电荷输运特性仅存在于低温，这严重制约了其实际应用。寻找具有室温非互易电荷输运的非中心对称材料，以实现基于非互易响应的新型两端口整流器件是目前国际上研究的热点之一。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室成昭华课题组利用分子束外延技术生长出高质量的铁电Rashba半导体薄膜α-GeTe。前期的角分辨光电子能谱（ARPES）测量结果显示，α-GeTe同时具有表面和体Rashba能带结构，其体Rashba系数可至~4.3 eVÅ，对应的自旋劈裂能高达~2300 KBT【Xu Yang et al., Nano Lett . 21, 77–83(2021)】，这为实现室温非互易输运提供了可能性。最近，他们与沙特阿卜杜拉国王 科技 大学张西祥教授课题组合作，基于二次谐波探测技术，在α-GeTe中探测到可达室温的非互易输运行为，发现单向磁电阻与电流和外磁场强度均成正比。进一步研究表明非互易输运系数随着温度的增加而呈现非单调变化，这有别于以往的研究体系中非互易输运系数随着温度的增加而急剧减小的规律。

他们提出了Rashba体系中非线性的自旋流和电荷流的转换模型，很好地解释了实验结果，并确定α-GeTe的非互易电荷输运主要源于其体Rashba能带贡献。该工作不仅为未来整流器件的研究提供了新的思路，并且阐述了Rashba体系中非互易输运的微观机制。

相关工作近期发表于学术期刊《自然通讯》(Nature Communications).

博士后李岩（物理所博士毕业生）、博士生李阳为论文共同第一作者，成昭华研究员和沙特阿卜杜拉国王 科技 大学的张西祥教授为共同通讯作者。艾克斯-马赛大学的Aurélien Manchon教授给予了理论指导。该项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院前沿科学研究计划的资助以及阿卜杜拉国王 科技 大学的支持。

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载流子的输运半导体中自由载流子的任何运动都导致电流。这些运动可以由外加电压产生的电场引起，因为载流子是带电粒子。我们称这种输运机制为载流子的漂移。另外，载流子从浓度高的地方流向浓度低的地方。这种载流子的输运机制是由热能和与之相关联的载流子随即的热运动引起的。我们称之为载流子的扩散。总电流为漂移电流和扩散电流的总和。在外加电场的作用下，载流子做加速运动，并且由于与电离杂质碰撞和晶格振动散射最终达到一个恒定的速度v。速度和电场的比值称为迁移率。在高电场作用下速度达到饱和速度。另外，载流子在流过半导体表面时发生附加的散射，由于半导体表面或界面的散射机制使迁移率降低。载流子的扩散是通过形成载流子的浓度梯度产生的。浓度梯度可以通过变化的参杂浓度或者温度梯度形成。由于受相同的微粒和散射机制影响，两种输运机制是相关的。这种恒定的迁移率和扩散系数之间的关系成为爱因斯坦关系。

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