中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊金龍?jiān)菏繄F(tuán)隊(duì)李星星課題組在金屬有機(jī)Rashba-Dresselhaus材料設(shè)計(jì)方面取得重要進(jìn)展：二維手性金屬有機(jī)骨架首次被開發(fā)為具有大自旋劈裂的Rashba-Dresselhaus半導(dǎo)體。相關(guān)成果以“Obtaining Giant Rashba-Dresselhaus Spin Splitting in Two-Dimensional Chiral Metal-Organic Frameworks”為題發(fā)表于國際知名期刊Chemical Science上。
Rashba-Dresselhaus（R-D）效應(yīng)是由空間反演對稱破缺環(huán)境下自旋軌道耦合作用導(dǎo)致的一種自發(fā)自旋劈裂現(xiàn)象。它提供了一種電場調(diào)控自旋的有效方法，其優(yōu)勢在于不需要材料本身具有磁性，從而避免了低維磁性材料居里溫度通常遠(yuǎn)低于室溫的問題。因此，具有大R-D自旋劈裂的半導(dǎo)體對于制造電場控制的自旋電子器件具有極大的吸引力。然而，目前報(bào)道的二維R-D半導(dǎo)體主要是無機(jī)材料，且數(shù)量有限。此外，影響自旋劈裂的潛在因素和實(shí)現(xiàn)大自旋劈裂的一般性方法還有待探索?？紤]到無機(jī)材料有限的可調(diào)性，研究人員將注意力轉(zhuǎn)向二維手性金屬有機(jī)骨架（CMOFs）。二維CMOFs是金屬有機(jī)骨架家族的重要子類，近年來受到廣泛關(guān)注，特別是在不對稱催化和對映選擇性應(yīng)用中。R-D自旋劈裂出現(xiàn)的基本條件之一是打破空間反演對稱。在這方面，缺乏反演和鏡像對稱的CMOFs提供了一個天然的設(shè)計(jì)平臺。然而，在二維CMOFs中是否能夠?qū)崿F(xiàn)和如何實(shí)現(xiàn)顯著的R-D自旋劈裂，以及手性與R-D效應(yīng)之間的相關(guān)性仍不清楚。
圖1.在二維手性金屬有機(jī)骨架中揭示決定Rashba-Dresselhaus自旋劈裂的五個要素。
針對以上問題，研究人員利用無機(jī)配體（-I, -Br, -Cl, -F, -CN, -H）配位的重金屬原子（Sr-Sn, Ba-Pb）作為節(jié)點(diǎn)，并使用軸向手性配體4,4'-聯(lián)吡啶衍生物作為連接體，構(gòu)造了系列CMOFs材料?；诘谝恍栽碛?jì)算，在理論上通過三步篩選策略，獲得了一系列在價(jià)帶具有大自旋劈裂（高達(dá)97.2 meV）和大R-D耦合常數(shù)（高達(dá) 1.37 eV?）的二維R-D半導(dǎo)體。有趣的是，通過改變金屬有機(jī)骨架的手性，價(jià)帶的自旋紋理是可調(diào)的。最后，研究人員確定了在二維金屬有機(jī)骨架中獲得大R-D自旋劈裂的五個關(guān)鍵要素：（i）手性，（ii）強(qiáng)自旋軌道耦合，（iii）窄帶隙，（iv）價(jià)帶和導(dǎo)帶在Γ點(diǎn)具有相同對稱性，(v) 強(qiáng)配體場。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)物理系博士生劉閃閃為第一作者，湖北文理學(xué)院徐可副教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院李星星教授為共同通訊作者。該研究工作得到了自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D3SC06636C
（化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）
