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自旋无间隙半导体在自旋电子学器件中的应用前景

2020年7月8日通过安东尼奥Anzaldua Jr。

相对较新的半导体自旋无间隙半导体连接零隙材料和半金属，同时具有自旋极化电子和空穴。

传统的电子和信息技术是基于雷竞技最新app电子的电荷和带隙。相反，自旋电子学的新兴领域依赖于电子的自旋(它们的固有角动量)和电荷。

卧龙岗大学（UOW）的研究人员最近完成了无自旋间隙半导体(SGS)的广泛研究这是一种连接半导体和半金属的新型材料。这些研究人员开始用材料进行实验，这些材料可以防止因导电而浪费的能量。

自旋-轨道耦合抛物型和狄拉克型SGS材料的能带结构

该领域的专家声称，SGS将使研究人员能够更好地开发超高速、超低功耗的产品自旋电子学．

无自旋间隙半导体是由王晓林教授首次提出的2008年担任UoW超导和电子材料研究所所长。在研究之初，王教授和他的团队就一直在试图寻找适合超高速自旋电子应用的材料。该团队的目标是在不浪费传导能量的情况下操作自旋电子设备。

对王的研究很重要的一点是了解不同材料的能带结构。

例如，在硅中，导带和价带被一个小的间隙隔开。由于阈值能量很小，它可以推动电子进入材料的传导带。对于导体来说，一种材料需要在价带和导带之间有一个很小的间隙，以使电子容易流动。在绝缘体中，材料被一个较大的带隙隔开，从而阻止了电子的流动。

金属、绝缘体或半导体中的价(低)带和导(高)带。

在这项研究中，王教授和他的团队发现，自旋无间隙半导体在边缘同时具有导带和价带。这意味着移动电子不需要阈值能量。因此，这种新材料对外部影响很敏感。SGS桥接零间隙材料和半金属，同时具有全自旋极化电子和空穴。

本月早些时候，王教授和他在UoW的团队开始进一步远离标准的硅基半导体不同系统中抛物型SGSs的三个子类型．SGS能带结构可分为两类能量色散:Dirac线性色散和抛物色散。

归类为狄拉克色散的SGS允许消除电子的有效质量。Dirac型自旋无间隙半导体可以通过外加外场或内部磁化分离出全自旋极化电荷，从而在样品边缘实现无耗散电荷输运。

抛物线亚型的导带和价带都呈现无间隙行为，但自旋方向不同。然而，自旋电子器件只需要一个自旋方向。

自旋电子器件在不消耗能量的情况下快速传输电子。这些装置还可以操纵电荷，一旦施加外部能量，就可以控制电荷。为了满足这些要求，王教授想方设法消除带电粒子的质量，使这些无质量的电荷完全电子自旋极化．

王教授分享了他对SGS将如何影响自旋电子学的看法:“SGS在下一代自旋电子学器件中的潜在应用[包括]低电子学，以及高速、低能耗的光电子学。”雷竞技最新app

由于SGS允许两倍多的自由度操作，自旋电子器件具有更有效的数据存储和传输的潜力。研究人员选择了最有用的基于氧化锰的蜂窝状晶格的Dirac SGSs材料。

蜂窝状晶格中的氧化锰

王教授提出，对于无质量、无耗散的自旋电子学，有两个关键的选择标准：即，它们是铁磁性的，并且它们有合适的晶格来创建必要的能带结构。

在过去的十年中，人们用密度泛函理论预测了大量的狄拉克型或抛物线型sgs，并且在单层和体材料中实验证明了一些抛物线型sgs。在王的最新工作中，对Dirac型SGS的一些潜在候选人进行了审查。

在以硅为基础的半导体电路中，电子会驱散缺陷和结构，在这个过程中会消耗能量。信息技术(It)服务器群和数据中心消耗了全球5%的电力，其中大部分就是浪费的能源。

虽然现在确定SGS是否会成为硅或其他半导体的显著竞争对手还为时过早，但工程师们可能会看到自旋电子器件中基于SGS的材料的最终增加。这项搜索无质量和无耗散自旋电子学的Dirac SGSs也可能激发对其他材料候选人的兴趣。