不同方向局域交换场对锡烯自旋输运的影响*

郑军 马力 相阳 李春雷 袁瑞旸 陈箐

1) (渤海大学物理科学与技术学院,锦州 121013)

2) (首都师范大学初等教育学院,北京 100048)

3) (首都师范大学物理系,北京 100048)

利用非平衡格林函数方法,理论研究了多种组合形式的局域交换场对锡烯纳米带自旋输运性质的影响.研究表明锡烯自旋相关电导、边缘态和体能带都显著地依赖于不同区域交换场的方向和强度.在[I:±Y,II:+Z,III:±Y ]方向交换场的共同作用下,边缘态受Y 方向交换场影响形成带隙,禁带宽度与交换场强度M成正比,在-M ＜E ＜M 能量范围电导值为0.对上下边缘区域同时施加 +Z 或-Z 方向的交换场时,边缘态和体能带都发生较强的自旋劈裂,自旋向上和向下能带沿相反方向向高能量区域移动,增大交换场的强度电导自旋极化的范围将从高能量扩展到低能量区域.当交换场方向为[I:∓Z,II:±Y,III:±Z ]时,低能区自旋相关的电导保持电子空穴对称性,不同交换场强度条件下,自旋相关电导都在相同的能量范围-λso ＜E ＜λso保持电导平台 Gσ=e2/h.

1 引言

自石墨烯在2004 年被成功制备以来[1,2],伴随着体系维度降低所带来的新奇特性,长程有序的二维纳米材料引起科研人员广泛关注[3].锡烯是锡原子以蜂窝状翘曲结构排列而成的二维单原子层薄膜.2009 年Cahangirov 等[4]利用第一性原理计算明确了原子之间较大的成键间距会削弱π 电子交叠,具有D3d点群对称性的六角蜂窝状翘曲结构在能量上最稳定.同年Sahin 等[5]理论研究了锡烯的晶格结构特征,研究发现锡原子可形成稳定的低翘曲蜂窝状结构.2011 年Liu 等[6]的理论计算结果表明 sp2和 sp3杂化轨道混合构成的低翘曲结构可增强自旋-轨道耦合,锡烯具有非平庸的拓扑特性[7].2013 年Xu 等[8]通过第一性原理计算研究了应变和边缘修饰对锡烯拓扑能隙的影响,发现通过化学修饰可以调控锡烯拓扑态的自由度,锡烯的拓扑能隙可以达到300 meV.较大的体能隙使得基于锡烯等类石墨烯结构可以用于较高温度条件下的二进制逻辑操作,实现“开”与“关”两种状态,多种基于IV 主族拓扑绝缘体的晶体管模型已被提出并得到研究[9−16].

块体锡材料中的原子是以 sp3杂化的金刚石结构排序,原子之间的共价键很难被破坏,无法通过简单的机械剥离方法获得单原子层锡薄膜.超高真空环境下,在衬底上利用分子束外延生长是制备锡烯采用的主要方法.2015 年Zhu 等[17]在Bi2Te3(111)衬底上成功制备了锡烯.2017 年Gou 等[18]在Sb(111)表面实现了锡烯的制备.2018 年基于PbTe(111),InSb(111),Ag(111) 以及Cu(111)衬底,Zang 等[19]、Xu 等[20]、Yuhara 等[21]、Deng 等[22]相继成功制备了翘曲和平面结构的锡烯.目前科研人员已经在不同的金属和半导体表面实现了锡烯的生长制备[23−26],尽管耦合相互作用以及能带杂化引起了不同周期的结构重构,但实验结果依然在一定程度上证实了理论上所预言的拓扑绝缘体本征物性.

近些年,人们对锡烯的电学[27−34]、光学[15,35−37]、磁学[38−42]以及热学[43−47]性质进行了一系列研究.本文从理论上研究局域铁磁交换场对锡烯纳米带边缘态和体能带自旋输运性质的影响.如图1(a)所示,将锡烯纳米带的中间区域分成上(I)、中(II)、下(III) 3 个区域,对3 个区域分别施加Y和Z轴方向的交换场,重点讨论不同方向局域交换场的组合形式和强度对电导和能带的调控.

图1 (a) 交 换场作 用下的锡烯 纳米带 俯视图.图中 沿Y 轴方向将锡 烯等分 为I,II,III 3 个区 域,并 分别对这3 个区 域施加[I:+Z,II:+Y,III:-Z ]和[I:-Z,II:-Y,III:+Z ]方向组合的交换场;(b) 无外场作用时锡烯的电子能带结构;铁磁交换场按照(c) [I:±Y,II:+Z,III:±Y ]和(e) [I:±Y,II:-Z,III:±Y ]分布时自旋相关电导随费米能E 的变化;(d)交换 场强 度为M=λso/2,方向为(d) [I:±Y,II:+Z,III:±Y ]及(f) [I:±Y,II:-Z,III:±Y ]时的电子能带结构,图中红色圈线和蓝色实线分别对应自旋向上和自旋向下的电子Fig.1.(a) Top view of a stanene nanoribbon with local exchange field,where stanene is equally divided into three regions,(i.e.,I,II,and III) along the Y-axis,and exchange fields in the directions of [I:+Z,II:+Y,III:-Z ] and [I:-Z,II:-Y,III:+Z ] are applied to these three regions respectively.(b) Energy-band diagram of stanene without external field.Spin dependent conductance Gσas a function of the Fermi energy E with the ferromagnetic exchange fields distributed according to (c) [I:±Y,II:+Z,III:±Y] and (e) [I:±Y,II:-Z,III:±Y ].Energy-band diagram of stanene with the strength of external field M=λso/2,the exchange field directions are (d) [I:±Y,II:+Z,III:±Y ] and (f) [I:±Y,II:+Z,III:±Y ].The red circle-lines and blue solid-lines correspond to spin-up and spin-down electrons,respectively.

2 研究方法

在紧束缚近似下,基于Kane-Mele 模型在3 个区域分别施加 ±Y轴和 ±Z轴方向交换场的锡烯哈密顿量可以表示为[7,48−51]

式中前两项表示未受外场作用的锡烯,t和λso为最近邻锡原子之间的电子跃迁能和有效自旋轨道耦合强度;分别为电子的产生和湮灭算符,表示在第i(j) 个晶格格点产生(湮灭)一个自旋向上σ=+1 (向下σ=-1)的电子;〈ij〉和 〈〈ij〉〉 表示求和遍布所有最近邻和次近邻格点;符号函数υij是与位置相关的Haldane 相因子[52,53],在数值计算中当次近邻相互作用沿顺时针方向时υij=+1,反之υij=-1.(1)式中的第3—5 项分别表示对上(i∈[1,Ny/3]),中(i∈[Ny/3+1,2Ny/3]),下(i∈[2Ny/3+1,Ny]) 3 个区域分别施加方向为+Y,–Z和–Y,强度为M的铁磁交换场,其中Ny为纳米带边界沿Y轴方向的锡原子数,σy和σz为σz表象的泡利矩阵.局部交换场可以通过铁磁体的邻近效应引入[54],如I 区域的交换场,可以通过将Fe 原子沉积到硅烯纳米带上边缘的表面或将硅烯纳米带部分沉积到铁磁绝缘衬底上,交换场的方向可通过外场调节.利用Bloch-Wannier 变换将(1)式中的产生和湮灭算符变换到Bloch 表象,其中jy对应Y轴方向的晶格格点位置.通过求解本征值方程可以计算得到不同方向铁磁交换场条件下的锡烯电子能带结构.

利用非平衡格林函数和Landauer-Buttiker 公式,零温度条件下与半无限长锡烯导线耦合的锡烯纳米带自旋相关电导可以表示为[55,56]

3 结果与讨论

在数值计算中交换场作用区域的X轴方向和Y轴方向的锡原子数固定为Nx=Ny=256.最近邻锡原子之间的电子跃迁能和有效自旋轨道耦合强度分别为t=1.3 eV 和λso=100 meV[7,8].不同方向交换场的强度和系统温度分别为M=λso/2=50meV 和T=0 K.

首先讨论I (III)区域施加沿Y轴方向,II 区域施加沿Z轴方向的交换场对自旋相关电导和电子能带结构的影响.图1(c)和图1(e)分别给出了中间区域交换场沿着 +Z和-Z两种情况下自旋相关电导随费米能E的变化.通过两幅图的对比可以看出,当费米能E位于-M至 +M窗口时,自旋向上和向下电导值都为0,此时的锡烯可以看成禁带宽度为 2M的半导体.能量E ＞+M的范围内σ 方向自旋电导Gσ与能量E ＜-M的范围内方向自旋电导都关于能量E=0 对称,虽然局域交换场按照[ ±Y,+Z,±Y]和[ ±Y,-Z,±Y]两种组合形式分布时总电导G=G↑+G↓始终保持电子空穴对称G(-E)=G(E),但是深能级区域相同能量条件下的自旋相关电导明显不同.当交换场按照[ ±Y,+Z,±Y]分布时,E ＞M(E ＜-M)区域的自旋极化率为P=(G↑-G↓)/(G↑+G↓)＞0(P ＜0).交换场方向为[I:±Y,II:-Z,III:±Y]时,E ＞0 能量范围的极化率与[I:±Y,II:+Z,III:±Y]条件下E ＜0 能量范围的极化率相同.

为了更好地理解图1(c)和图1(e)中电子自旋的输运特性,图1(b)、图1(d)和图1(f)分别给出了不受外场作用的锡烯电极和施加交换场的中心区域的电子能带图.从图1(b)可以看出,不受外场影响时,电子能带在Dirac 点K和K′处形成宽度为 2λso的体带隙,体带隙内的边缘态自旋简并,并在 (π,0) 点相交.在局域交换场作用下,电子的能带结构发生显著改变,图1(b)和图1(c)分别对应交换场按照 [±Y,+Z,±Y] 和 [±Y,-Z,±Y] 分布时锡烯的能带图.磁化矢量方向垂直于纳米带的反铁磁交换场,能够破坏时间反演对称性,当仅有中间(II)区域存在交换场时,体能带受到 +Z方向交换场影响发生劈裂,但边缘态不受外场影响保持自旋简并.Y轴方向的铁磁交换场不仅可以破坏时间反演对称性,还可以破坏自旋对称性,在I 和III 区域引入Y轴方向的交换场并不会破坏电子能级的二重简并,但是可以使边缘态在体带隙内打开宽度为2M的带隙.因为 ±Y轴方向外场对能带的作用没有区别,所以[ +Y,+Z,+Y],[ +Y,+Z,-Y],[-Y,+Z,+Y],[-Y,+Z,-Y] 4 种外场组合形式的能带结构是等价的.在对图1(a)所示的I—III 3 个区域施加 [±Y,+Z,±Y] 或 [±Y,-Z,±Y] 方向的交换场时体能带发生自旋劈裂,边缘态保持简并形成大小为 2M的能隙(如图1(b)和图1(c) 所示).因此当能量处于-M ＜E ＜+M时电子无法通过纳米带,自旋相关电导Gσ=0.当E ＞M或E ＜-M时,G↑≠G↓,并且由于导线区域(图1(b))与交换场作用区域(图1(b)和图1(c))能带不匹配,阶梯状电导平台退变成一系列共振峰.

接下来讨论在I (III)区域引入沿 ±Z轴方向,II 区域引入沿Y轴方向交换场对电导和能带的影响.图2(a)为交换场按照 [+Z,±Y,+Z] 或 [-Z,±Y,-Z] 分布时锡烯的能带图.通过与图1(d)和图1(f)比较易见,I (III)与II 区域交换场互换方向后,边缘态和体能带都将发生自旋劈裂.当I (III)区域交换场为 +Z方向时自旋向上电子形成的能带整体上移,边缘态交叉点由 (π,0) 移动到 (π,M),而自旋向下电子对应的能带整体向下移动,边缘态交叉点由(π,0) 移动到 (π,-M).虽然边缘态发生自旋劈裂,但是在体带隙范围依然存在自旋向上和自旋向下的边缘态,因此图2(c)中-M＜E ＜M能量窗口出现G↑=G↓=e2/h与G=G↑+G↓=2e2/h的电导平台.通过调整交换场的方向可以改变电子自旋输运性质,将I (III)区域的交换场调节到-Z方向,图2(c)中红色虚线(蓝色点线)则对应自旋向下(自旋向上)电导.

图2 交换场强度 M=λso/2,方向为(a) [I:+Z,II:±Y,III:+Z]及(b) [-Z,II:±Y,III:+Z ]时电子能带结构;交换场按照(c) [I:+Z,II:±Y,III:+Z ]和(d) [-Z,II:±Y,III:+Z ]分布时电导G 随费米能E 的变化,图中红色圈线、蓝色三角线和黑色点线分别对应自旋向上、自旋向下以及总的电导Fig.2.Energy-band diagram of stanene with the strength of external field M=λso/2,the exchange field directions (a)[I:+Z,II:±Y,III:+Z ] and (b) [-Z,II:±Y,III:+Z ].Conductance G as a function of the Fermi energy E with the ferromagnetic exchange fields distributed according to(c) [I:+Z,II:±Y,III:+Z ] and (d) [-Z,II:±Y,III:+Z].The red circle-lines,blue triangle-lines and black dotlines correspond to spin-up,spin-down,and total conductance,respectively.

图2(b)给出交换场按照 [-Z,±Y,+Z] 分布时锡烯的能带图.可以看出I (III) 区域交换场方向相反时,边缘态保持自旋简并,边缘态交点仍对应能量E=0 但是向K点偏移,当交换场按照 [-Z,±Y,+Z] 分布时边缘态交点则向K′点偏移,偏移的程度与交换场强度M有关,当M=λso时交叉点位于K或K′点.±Y方向交换场可以引起深能级区域能带发生自旋劈裂,但同等场强条件下能带劈裂程度弱于Z方向交换场的作用.因此如图2(d)所示,体带隙及其附近区域不同自旋方向的电导值近似相等,自旋极化率P≈0,不同自旋方向的电导Gσ及总电导G关于E=0 对称.

图3 以自旋向上电导为例,讨论交换场强度M变化对自旋电子输运的影响.图3(a)交换场方向为[I:+Y,II:+Z,III:+Y],交换场强度分别为M=0.025,0.05,0.075,0.1 eV,从图3(a)可以看出,改变 I 和III 区域 +Y方向交换场强度可以有效地调节带隙大小,随着场强的增强,边缘态带隙的宽度随之增加,在-M ＜E ＜M的能量范围自旋相关电导Gσ=0.图3(b)对应的交换场方向为[I:+Z,II:+Y,III:+Z],此时随着交换场的增强,自旋向上电子对应的能谷向能量E=0 区间移动的程度加强,逐渐进入无外场作用时的体带隙,在-M ＜E ＜0 的范围自旋向上的电导平台逐渐被破坏,形成一系列的共振峰,但是能量在0＜E ＜M范围内的自旋向上电导平台不受影响.图3(c)给出了交换场方向为[I:-Z,II:+Y,III:+Z]条件下的自旋向上电导.可以看出,当交换场按[I:-Z,II:+Y,III:+Z]分布时电导平台并不受交换场强度变换影响,在-0.1 — +0.1 eV 范围保持Gσ=e2/h.随着交换场强度的增强,体能带的劈裂程度增大,外场作用区间与左右电极的能带失配程度提高,E ＜-M和E ＞M能量范围的电导值随着交换场强度的增加而降低.

图3 交换场方向为(a) [I:+Y,II:+Z,III:+Y ],(b) [I:+Z,II:+Y,III:+Z ],(c) [I:-Z,II:+Y,III:+Z ],交换场 强度 参数M 分别取0.025,0.050,0.075,0.100 eV 时,自旋向上电导 G↑ 随费米能E 的变化Fig.3.Conductance G as a function of the Fermi energy E with different values of exchange field parameter M=0.025,0.050,0.075,0.100 eV for the exchange field directions are (a) [I:+Y,II:+Z,III:+Y ],(b) [I:+Z,II:+Y,III:+Z ],(c) [I:-Z,II:+Y,III:+Z ].

4 结论

本文理论研究了交换场按[I:±Y,II:+Z,III:±Y],[I:±Y,II:-Z,III:±Y],[I:+Z,II:±Y,III:+Z],[I:-Z,II:±Y,III:+Z]分布时锡烯纳米带的自旋输运.研究表明通过改变不同区域交换场的方向和强度可以有效调节边缘态和体能带电子的输运性质和强度.当交换场方向为[I:±Y,II:+Z,III:±Y]时,边缘态保持简并打开能隙,边缘态能隙的宽度随着交换场强度的增加而增大,在-M ＜E ＜M的能量范围Gσ=0,此时锡烯可以看成禁带宽度为 2M的半导体.II 区域 +Z方向的交换场可以使得体能带发生较强的自旋劈裂,能量E ＞M范围自旋极化率P ＞0.当交换场方向为[I:±Y,II:-Z,III:±Y]时,能隙宽度保持不变,E ＞M条件下的自旋极化率P ＜0.施加[I:+Z,II:±Y,III:+Z]方向的交换场可以使得自旋向上和向下电子的能带整体向高能量和低能量区域移动,提高交换场的强度K和K′谷能带进入无外场作用时的体带隙,Gσ=e2/h的电导平台被破坏形成一系列小的共振峰.当交换场方向为[I:-Z,II:±Y,III:+Z]时,边缘态向K′点移动,体能带发生自旋劈裂,但是II 区域相同强度Y方向的交换场引起的劈裂程度明显弱于 +Z方向的交换场,体带隙附近区域自旋极化率近似为0.增大交换场强度M,-λso＜E ＜λso能量窗口内的电导平台不受影响,但是E ＜-M和E ＞M能量范围的电导受到抑制.