引 言

自从石墨烯被成功制备后，人们对其他二维材料产生了广泛的研究兴趣。到目前为止，许多新的二维材料都已加入了 2D 材料范畴，如六方氮化硼片，过渡金属双卤代烃，黑磷烯，硼烯，二维 SiS 层，二维碳化硅 (SiC) 等。这类 2D 材料具有高电子迁移率或适当的带隙，它们在未来纳米电子和光电子器件中有重要的应用。例如。垂直范德华 (vdW) 异质结构，这种异质结构是通过将不同的二维晶体叠加在一起而形成的。由于堆栈层是绑定在一起的，其中 vdW 交互非常弱，因此很好的保留了每个层的特殊属性。事实上，构建 vdW 异质结构，已经成为扩展 2D 材料功能的重要途径。同时，如何通过构建异质结构来开发二维材料新的功能，已经引起了人们很大的研究兴趣。

众所周知，实现大的自旋极化，是自旋电子学中的一个重要问题，其最终目标是在材料或器件中，实现完全自旋极化电子传导。磁性是自旋输运的先决条件。石墨烯由于具有由局域边缘态而产生固有边缘磁性，它只能通过引入缺陷，或通过嵌入过渡金属原子，或通过其他手段，才能在外部诱导磁性。有不少方案是建议在锯齿状的石墨烯纳米带 (ZGNR) 中，实现半金属性(只有一种自旋导电的特性)，如电场，界面修饰和 B-N 共掺杂。这些方案可分为电场应用和化学改性两大类。然而，在 ZGNR 中，要达到半金属性，需要极高的电场强度，而这在实验室中几乎是不可用的。同时，通过化学改性，很难精确地控制掺杂或吸附位置以及结构的稳定性。更严重的是，化学修饰会导致反铁磁 (AFM) 和铁磁 (FM) 边缘结构之间的能量差急剧减小，甚至会消失。因此，如果能够避免使用电场或化学修饰，来实现 ZGNRs 的完全自旋极化传输的替代方案，是非常有意义的。

在本工作中，笔者使用基于石墨烯的 vdW 异质结，来实现这一目标。首先，通过将 ZGNR 夹在两个带 AA 堆叠的六方 BN 片之间，形成 vdW 异质结构 h-BN/石墨烯 (Gr)/h-BN。在 ZGNR 的两个子格上，这两张 BN 板在中间平面产生的错位势的作用是不同的，因此不同自旋的边态能量，呈相反移动。由此，消除了边缘态的自旋简并性，得到了两种不同的自旋能隙，如 Eg↑ 和 Eg↓ (Eg↑< Eg↓)。第二，线偏振光在器件的中心区域投射。通过适当地调谐光子能量，只有一个自旋的电子可以从价带激发到导带。第三，通过在 vdW 异质结中施加一个小于能隙(如 Eg↑) 的小正偏压，导带中的激发电子可以被驱动到右电极，从而产生完全自旋极化光电流。这一方案相当有效，因为无论是减小还是增加层间距离，都可以通过垂直施加压应变或拉伸应变，或在相对于石墨烯纳米带的方向上，使 BN 片在平面内移动，结合光照射时，实现100%的自旋极化输运。

||  成 果 简 介

通过利用石墨烯基范德瓦尔斯 (vdW) 异质结构，来构建输运结，其中一个锯齿状的石墨烯纳米带 (ZGNR) 夹在两个六方氮化硼之间。通过计算，笔者证明了在 ZGNRs 光照射下，产生完美自旋极化量子输运的新方案。其机理在于从 BN 片中获得的错位势消除 ZGNR 自旋简并，而后通过适当调整光子能量实现电子从价带到导带的单自旋激发。这一方案相当有效，因为无论是通过垂直施加压缩应变或拉伸应变，还是在平面上相对于石墨烯纳米带的方向，将 BN 片移动，我们总是能得到它。更重要的是，利用纯电场或化学修饰，获得 ZGNRs 中的半金属输运，这个方案克服了传统方法上长期存在的困难，从而为它们在自旋电子学中的应用铺平了一条更加可行的道路。

||  图 文 导 读 

图1 （a）vdW 垂直异质结构示意图，通过 AA 堆叠，6-ZGNR(Gr) 夹在两个6-ZBNRs（BN） 之间，它分为左电极、右电极和中心散射区。z 轴沿输运方向，y 轴垂直于薄带平面。定义光传播方向的两个矢量 e1 和 e2，分别平行于 z 轴和 x 轴。‘BN’ 和 ‘Gr’ 分别为 BN 和石墨烯。A 是 xz 平面内的电磁矢量势。（b）光电流产生过程。在左电极和右电极之间，施加一个电压 Vb< Eg↑ 来驱动在导通带中，从散射区到右电极的激发电子。

图2  能带结构：（a）单层 ZGNR；（b）h-BN/Gr/h-BN vdW 垂直异质结。（c）两个 BN 纳米带；（d）两个无限 BN 层。‘B’ 和 ‘N’ 表示石墨烯中的 CB 和 CN 位置。计算采用了 Nanodcal 软件。

图3 ZGNR 的 vdW 结和边缘态：（a）在价带（v↑）中自旋向上；（b）在价带 (v↓) 中自旋向下；（c）在导带 （c↑） 中自旋向上；（d）在导带（c↓）中向下旋转。CB 和 CN 表示两个亚晶格中的碳原子。在每个面板的左边边框，绿色的 CB 或 CN 表示边缘态分布在 CB 或 CN 子格上，而左下角的箭头表示边缘态能量的增加或减少。

图4 （a）当偏压为 0.25V 时，光电流相对于光子能量 （E=） 的两个自旋分量（，α=L，s=↑ 和 ↓）；（b）态的跃迁密度随光子能量 E 的变化；（c）和（d）：在 A→M 和 M→B 阶段，有效透射 （ET） 函数随光子能量的增加而变化。

图5 （a）平衡状态；（b）在有限偏差 （Vb） 下。填充圆表示价带和相应的边态，空圆表示导带及其相应的边态。在（b）中，v0-v3(c0-c3) 是价态（传导）带中的四个边界点或态。Vb 是偏压，Eg 是带隙。绿色箭头表示由光子（）诱导激发过程。z 为沿运输方向。

图6  （a）有效传输函数随偏压的变化；（b）右引线（‘R’）中的光电流随偏压的变化。光子能量固定为 0.28eV。在（a）中，E 是在价带中激发的电子能量。在这种情况下，只显示自旋向上，因为自旋向下的部分为零。 

图7  三种情况下，光电流对偏振角 θ 的依赖关系：（a）Vb=0.25V，=0.20eV，标记为 ‘A’ 和 ‘FA’；（b）Vb=0.25V，=0.10eV，标记为 ‘B’ 和 ‘FB’；(c)  Vb=0.25V，=0.10eV，中心区域具有镜像对称性，标记为 ‘C’ 和 ‘FC’。‘A’、‘B’ 和 ‘C’ 是计算数据，而 ‘FA’、‘FB’ 和 ‘FC’ 是相应的拟合曲线。

图8 在下列情况下的能带结构：（a）层距增加 0.30Å；（b）层间距减少 0.30Å；（c）ZGNR 沿运输方向移动半个晶胞；（d）ZGNR 沿 x 方向移动，形成 AB 堆叠。

||  小 结

总之，笔者提出了产生全自旋极化光电流的 h-BN/Gr/h-BN vdW 垂直异质结构。由于 BN 薄膜产生的错位，这导致不同自旋态的能量向相反方向移动而产生能带结构的自旋分裂。通过适当选择光子能量，可以使单自旋激发成为可能。除了最稳定的 AA 堆叠结构外，笔者还系统地研究了其它四种情况，总能实现全自旋极化电流。与用石墨烯实现完全自旋极化传输的电气或化学方法相比，垂直 Gr/h-BN vdW 异质结的思想更实用，因为它可以很容易制备。总之，结合光子辐照，笔者的研究证明了二维 vdW 异质结在自旋电子学中的重要性和潜力，在基于 2D 材料的自旋电子器件的设计中，应考虑到这一点。

||  文 献 说 明

1 文献信息：h-BN/graphene van der Waals vertical heterostructure: a fully spin-polarized photocurrent generator (Nanoscale, 2018, 10, 174-183 DOI: 10.1039/C7NR06159E)

2 文献作者：Xixi Tao, Lei Zhang, Xiaohong Zheng, Hua Hao, Xianlong Wang, Lingling Song, Zhi Zeng and  Hong Guo

||  Nanodcal 软 件 介 绍：

Nanodcal 是一款基于非平衡态格林函数-密度泛函理论 （NEGF-DFT） 的从头计算软件，主要用于模拟器件材料中的非线性、非平衡的量子输运过程，是目前国内唯一一款拥有自主知识产权的基于第一性原理的输运软件。可预测材料的电流-电压特性，电子透射几率等众多输运性质。迄今为止，Nanodcal 已成功应用于1维、2维、3维材料物性、分子电子器件、自旋电子器件、光电流器件、半导体电子器件设计等重要研究课题中，并将逐步推广到更广阔的电子输运性质研究的领域。