Polarización de valle ajustable eléctricamente en siliceno mediante acoplamiento espín-órbita Rashba y defectos de línea dobles

Resumen

Exploramos el transporte polarizado en valle en siliceno que alberga dos defectos de línea paralelos bajo acoplamiento espín-órbita Rashba (RSOC). Cuando RSOC supera al SOC intrínseco, los espectros de transmisión de los dos valles oscilan sincrónicamente, produciendo picos anchos y huecos de transmisión completos. Introducir un campo eléctrico perpendicular rompe la degeneración de valle: el período de oscilación del valle K se alarga mientras que el del valle K′ se contrae, creando regiones distintas de pico-hueco donde una polarización de valle perfecta (Pη = ±1) es alcanzable. Al ajustar la intensidad del campo, la polarización de valle puede conmutarse de +1 a –1, ofreciendo una ruta puramente eléctrica para generar y controlar corrientes de valle en siliceno, con implicaciones para la valletrónica de semiconductores.

Introducción

El siliceno —una monocapa de silicio con abombamiento bajo— ofrece una plataforma que rivaliza con el grafeno para dispositivos valletrónicos. Su abombamiento induce un acoplamiento espín-órbita intrínseco considerable, abriendo una banda prohibida de ~1.55 meV en los puntos de Dirac K y K′, y permite que la estructura de bandas se ajuste mediante un campo eléctrico fuera del plano. Este campo incluso puede desencadenar una transición de fase de Hall cuántico de espín a Hall cuántico de valle. El siliceno se ha fabricado en Ag(111), Ir(111) y ZrB₂(0001) y se predice estable en forma libre; ya se ha demostrado un transistor de efecto de campo a temperatura ambiente. Consecuentemente, el siliceno es un candidato convincente para dispositivos valletrónicos de próxima generación que aprovechan la tecnología de silicio existente.

Los bordes de grano en cristales bidimensionales son filtros de valle naturales. En siliceno, defectos de línea extendidos (ELD) formados por unión de bordes zigzag de dos granos han sido estudiados por cálculos de primeros principios. El ELD 5-5-8 es el más estable y fácilmente formado. El defecto actúa como frontera de dominio de inversión que intercambia subredes A/B e índices de valle a través de la línea. En grafeno, un solo defecto de línea es semi-transparente, produciendo una polarización de valle que depende del momento transversal qy. Para siliceno, sin embargo, la dispersión parabólica hace que los dos valles sean indistinguibles cerca del borde de banda, y los estados de borde helicoidales circulando en lados opuestos del defecto suprimen la transmisión. El RSOC, generado por un campo eléctrico perpendicular, adsorción de metal o interacción con sustrato, introduce un campo magnético efectivo en el plano que precesa espines inyectados perpendicular al plano. Por tanto, puede aprovecharse para manipular el transporte dependiente de valle.

En este trabajo mostramos que un par de defectos de línea paralelos en siliceno, combinados con RSOC y un campo eléctrico controlable, pueden producir una polarización de valle robusta y totalmente eléctrica. Presentamos un modelo de enlace fuerte que captura la geometría del defecto y términos SOC, calculamos transmisión usando el enfoque Landauer, y demostramos que la polarización de valle puede ajustarse de +1 a –1 variando el campo. También discutimos cómo la corriente polarizada en valle puede detectarse experimentalmente mediante mediciones de conductancia.

Métodos

Consideramos un dispositivo de siliceno de dos terminales con dos defectos de línea paralelos, como se ilustra en Fig. 1a. RSOC está presente en un lado de cada defecto, con anchos W y WR (en unidades de √3 a, donde a = 3.86 Å). La energía de Fermi se establece justo por encima del mínimo de la banda de conducción, de modo que los estados (K,↓) y (K′,↑) yacen en la banda prohibida inducida por SOC, mientras que (K,↑) y (K′,↓) se propagan a lo largo de pseudo-bordes debido al bloqueo espín-momento.

El sistema se describe por el Hamiltoniano de enlace fuerte

H = t∑⟨i,j⟩α cᵢα† cⱼα + τ₂∑⟨γδ⟩α cᵢyα,γ† cᵢyα,δ + τ₁∑⟨i,γ⟩α cᵢα† cᵢyα,γ + i t_so/(3√3)∑⟨⟨i,j⟩⟩αβ ν_ij cᵢα† σ^z_{αβ} cⱼβ + Δ_z∑ᵢα μᵢ cᵢα† cᵢα + i t_R∑⟨i,j⟩αβ cᵢα† (σ × d_ij)^z_{αβ} cⱼβ + h.c.

Aquí t es el salto de vecino más cercano, τ₁ y τ₂ son parámetros de salto dentro del defecto, t_so es el SOC intrínseco, Δ_z es el potencial de subred escalonado inducido por un campo eléctrico perpendicular, y t_R es la fuerza del SOC Rashba. La simetría de red permite una transformada de Fourier a lo largo de la dirección y, produciendo un conjunto desacoplado de Hamiltonianos H_k_y (Ec. 2–3). La transmisión se calcula vía el método de función de Green recursiva y la fórmula de Landauer generalizada (Ecs. 4–6). Las polarizaciones de espín y valle se definen como P_s = (T_K^{↑↑}+T_K^{↑↓}−T_K^{↓↓}−T_K^{↓↑}+T_K′^{↑↑}+T_K′^{↑↓}−T_K′^{↓↓}−T_K′^{↓↑})/(T_K+T_K′) y P_η = (T_K−T_K′)/(T_K+T_K′), respectivamente.

Resultados y Discusión

Con τ₂=τ₁=t=1 (unidad de energía), SOC intrínseco t_so=0.005 t, y energía de Fermi E_f=1.001 t_so, examinamos primero un solo defecto de línea (W = 1000). La Figura 2a muestra que la transmisión conservadora de espín T_K^{↑↑} es independiente del ángulo de incidencia, consecuencia de la banda parabólica. A medida que la fuerza Rashba t_R aumenta más allá de t_so, T_K^{↑↑} y T_K^{↑↓} desarrollan oscilaciones idénticas con picos y valles, mientras que T_K^{↓↓} y T_K^{↓↑} son suprimidas por la banda prohibida SOC. Los dos valles K y K′ exhiben oscilaciones en imagen especular, pero un solo defecto no puede suprimir completamente la transmisión de un valle.

Introducir un segundo defecto de línea paralelo (ancho adicional WR = 1000) crea mesetas de transmisión cero en los mínimos de las oscilaciones (Fig. 2d). El ancho del pico se estrecha mientras que el valle se ensancha, y el período entre picos vecinos permanece constante (3.25 t_so). Aplicar un campo eléctrico perpendicular Δ_z levanta la degeneración de valle: el período del valle K se alarga, el período de K′ se acorta (Fig. 3a,b). Al ajustar Δ_z, las regiones pico-hueco pueden desplazarse, produciendo polarización de valle perfecta (P_η = ±1) en amplios intervalos de meseta (Fig. 3c,d). Simultáneamente, emerge alta polarización de espín cuando P_η alcanza ±1.

Mientras que la fuerza Rashba es difícil de controlar con precisión, el campo eléctrico es fácilmente ajustable. La Fig. 4a demuestra que para un t_R fijo = 7.2 t_so, variar Δ_z produce T_K/T_K′ oscilatorio con picos y huecos alternados, llevando a polarización de valle perfecta cerca de los máximos de pico. El efecto persiste para energías de Fermi hasta 1.5 t_so y para energías on-site realistas (E = 0.15 t). La conductancia, proporcional a la transmisión total, muestra así una pronunciada estructura pico-valle de la cual la corriente polarizada en valle puede inferirse experimentalmente. Conductancias estimadas (~0.17 (e²/h) para E = 0.15 t) están dentro de límites medibles. La ventana de energía observable (~0.5 t_so) puede ampliarse por SOC inducido por proximidad (p. ej., bicapa Bi(111)), que eleva la banda prohibida intrínseca a ~44 meV. Mecanismos similares aplican a otros materiales 2D abombados como germaneno, staneno y MoS₂, que poseen bandas prohibidas y fuerzas SOC mayores.

Conclusiones

Hemos demostrado que dos defectos de línea paralelos en siliceno, junto con acoplamiento espín-órbita Rashba y un campo eléctrico perpendicular aplicado externamente, permiten un control totalmente eléctrico de la polarización de valle. Los espectros de transmisión de los valles K y K′ oscilan con periodicidad idéntica cuando RSOC domina, y el campo rompe esta simetría, creando regiones distintas de pico-hueco que albergan corrientes perfectamente polarizadas en valle. Este enfoque ofrece una ruta práctica y ajustable para generar y detectar corrientes de valle en siliceno y materiales 2D relacionados, allanando el camino para futuros electrónicos basados en valle.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Los conjuntos de datos generados durante y/o analizados durante el estudio actual están disponibles de los autores correspondientes bajo solicitud razonable.

Abreviaturas

2D:

Bidimensional

ELD:

Defecto de línea extendido

FET:

Transistor de efecto de campo

RSOC:

Acoplamiento espín-órbita Rashba

SOC:

Acoplamiento espín-órbita intrínseco