自旋電子研究的一個重要領域是使用晶體管中的電子自旋來傳輸和處理信息。迄今為止，在自旋邏輯、磁控自旋電子學和半導體自旋電子學領域，已經做出了許多努力來操縱編碼在自旋中的信息。在 Datta 和 Das 提出的自旋場效應晶體管的開創性想法 30 多年后，許多實際限制仍然阻礙了晶體管的實施。由于磁性半導體需要低溫操作和外部磁場來控制自旋分布，希望找到非磁性半導體來操縱自旋電子器件中的自旋，而無需磁場和鐵磁材料的幫助。在這種情況下，一類新型的鐵電 Rashba 半導體值得進一步探索，因為可以通過非易失性電控制的鐵電極化反轉來逆轉它們的自旋分布。圖1 Rashba效應和鐵電性在二維材料中的設計原則。楊金龍教授課題組胡偉團隊采用了逆向設計搜索了同時具有Rashba效應和鐵電性的二維非磁性半導體。首先，課題組定義了 Rashba 效應、鐵電性和共功能性的設計原則，并針對實際應用優化了設計原則。導致Rashba效應和鐵電性能夠存在的必要共同設計原則包括非中心對稱極性空間群和非零平面外偶極子。導致Rashba效應能夠存在的獨特必要設計原則是時間反演對稱性和非零自旋軌道耦合效應，而鐵電性的獨特必要設計原則是兩個具有相反鐵電極化的簡并基態和具有非極性空間群的非極性過渡態。此外，優化設計原則包括價帶頂或導帶底中的純 Rashba 效應、用于器件小型化的薄材料、可克服的鐵電能量勢壘。根據必要設計原則在二維材料數據庫中進行篩選后，課題組發現了 30 個鐵電 Rashba 單層材料、兩個純鐵電單層材料和 97 個純 Rashba 單層材料。鐵電 Rashba 半導體具有三種類型的結構，包括 A2 P 2 X 6型（空間群P 31 m）、ABP 2 X 6（空間群P 3 ）和AB 型（空間群P 3 m 1）。圖2 同時具有Rashba效應和鐵電性的二維半導體材料的篩選流程。然后，課題組進行高通量密度泛函理論計算研究上述三種類型的結構。15個A 2 P 2 X 6單層、11個ABP 2 X 6單層和47個AB單層在價帶頂或導帶底中具有純Rashba效應。由于 AB 型是 2D 最薄的 Rashba 結構，我們進一步研究 AB 單層，發現 14 個 AB 單層（AlBi、SiPb、TlP、GaSb、InSb、BBi、AlSb、GeSn、SiSn、GaAs、InAs、AlAs、InP 和 TlF ) 具有可克服的能量勢壘，這是有前途的鐵電 Rashba 半導體。特別是，二維 AlBi 單層具有最大的 Rashba 常數 (2.738 eV·?) 和相對較小的鐵電勢壘 (0.233 eV）。對于 2D 鐵電 Rashba 半導體，可以通過非易失性電控制切換鐵電極化來反轉自旋分布。因此，這個逆向設計的成果可以運用到自旋電子和邏輯器件上，例如自旋場效應管和雙極存儲器件。Rashba常數計算和自旋分布可視化腳本已經集成到KSSOLV軟件中（Comput. Phys. Commun.2022, 279, 108424）。楊金龍教授課題組關于Rashba效應的相關工作：Nano Lett.2020, 21, 740?746; J. Phys. Chem. Lett.2021, 12, 12256?12268; J. Phys. Chem. Lett.2021, 12, 1932?1939; RSC Adv.2020, 10, 6388?6394。中國科學技術大學楊金龍教授和胡偉研究員為共同通訊作者，化學院學生陳佳佳為第一作者。研究工作得到了基金委、科技部和中科院等項目的資助。文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c08827
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