近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室、化学与材料科学学院杨金龙教授研究组在电场调控半导体载流子自旋取向方面取得重要理论进展，使得制备电学可控的自旋电子学材料成为可能。此成果发表在美国化学会志上【J. Am. Chem. Soc. 2014. DOI：10.1021/ja505097m】。
自旋电子学是基于电子的自旋进行信息的传递、处理与存储的，它具有目前传统微电子学无法比拟的优势。在自旋电子学应用中，如何实现用电场调控载流子自旋取向是一个关键性的科学问题。为解决此问题，杨金龙教授研究组先前在概念上提出了一种新型的自旋电子学材料，即双极磁性半导体【Nanoscale 4, 5680 (2012)】。此类材料具有特殊的能带构造，通过它的电流不仅可以达到完全的自旋极化，而且载流子的自旋取向可以简单地通过加门电压的方法直接进行调制。然而，设计出实验上容易制备的双极磁性半导体材料一直是一个难题。
杨金龙教授研究组基于实验上已经制备出的三维层状晶体MnPSe3，提出可通过液相剥离的方法制备出二维的MnPSe3 纳米片，而该纳米片具有双极磁性半导体的功能。他们的理论预测，在无掺杂的情况下，MnPSe3 纳米片是弱反铁磁半导体，而在一定的电子或空穴掺杂下，它转变为铁磁半金属，在费米能级附近具有完全的自旋极化。更为重要的是，电子和空穴掺杂下的载流子自旋极化方向是完全相反的。因此，借助这一体系有望实现电场对载流子自旋取向的直接控制。此外，理论预测该材料的实验工作温度显著高于液氮温度。
这一工作为在实验上实现电场调控自旋取向提供了一个切实可行的方案，有望对自旋电子器件的研究与应用产生重要的影响。上述研究得到了中国科学院、科技部、国家自然科学基金委与教育部的支持。
（合肥微尺度物质科学国家实验室、化学与材料科学学院、量子信息与量子科技前沿协同创新中心）