對(duì)于對(duì)稱性破缺的體系，在表面/界面處存在電勢梯度，電子自旋-軌道耦合（SOC）導(dǎo)致能帶劈裂，產(chǎn)生一對(duì)自旋-動(dòng)量鎖定、自旋手性相反的能帶結(jié)構(gòu)，這種效應(yīng)稱為Rashba效應(yīng)。Rashba效應(yīng)在非易失性存儲(chǔ)元件、邏輯計(jì)算和半導(dǎo)體自旋電子學(xué)中有廣泛的應(yīng)用前景。例如，大的Rashba劈裂可以提高自旋流-電荷流的轉(zhuǎn)化效率。已有研究主要集中在半導(dǎo)體或金屬異質(zhì)結(jié)的界面或二維電子氣體系的Rashba效應(yīng)，但它們的Rashba系數(shù)相對(duì)較小。近年來，研究發(fā)現(xiàn)一些鐵電半導(dǎo)體具有較大的三維Rashba效應(yīng)，其Rashba系數(shù)比異質(zhì)結(jié)或二維電子氣的高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，但其尺寸效應(yīng)尚不清楚。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室M04課題組利用分子束外延（MBE）方法，實(shí)現(xiàn)生長不同厚度的鐵電半導(dǎo)體GeTe薄膜，并對(duì)不同厚度的薄膜進(jìn)行角分辨光電子能譜（ARPES）的測量。研究表明，隨著薄膜厚度降低，體Rashba系數(shù)逐漸降低，滿足標(biāo)度律，三維Rashba效應(yīng)的臨界厚度為2.1(±0.5)nm，與ARPES測得的2.5 nm薄膜結(jié)果一致。在厚度為5.0nm時(shí)，體系依舊保持著αR=2.12 eV?，遠(yuǎn)高于其它體系中的Rashba系數(shù)。利用電極化強(qiáng)度與貝利曲率的關(guān)系，闡明了Rashba效應(yīng)消失的機(jī)理。該研究給出了鐵電半導(dǎo)體Rashba系數(shù)隨厚度的變化關(guān)系，并揭示了三維Rashba效應(yīng)的影響因素，可為利用Rashba效應(yīng)的器件提供新的設(shè)計(jì)思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Letters上，物理所博士生楊旭是論文第一作者，研究員成昭華和副研究員何為是論文共同通訊作者。物理所表面實(shí)驗(yàn)室SF01組博士后李曉梅、研究員白雪冬在高分辨掃描透射電子顯微鏡測量方面給予支持。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中科院前沿科學(xué)研究計(jì)劃的資助。

圖1.（a）-（e） 25.8 nm, 13.5 nm, 5.0 nm, 3.0 nm以及2.5 nm的在GeTe（0001）上投影費(fèi)米面。（a）和（e）中的白色六邊形為表面布里淵區(qū)。（f）-（j）為方向的ARPES譜，對(duì)應(yīng)（a）-（e）。藍(lán)色三角標(biāo)識(shí)為MDCs峰位，綠色為擬合Rashba能帶色散關(guān)系。

圖2.（a） 為Rashba系數(shù)與厚度的關(guān)系，藍(lán)色為體Rashba系數(shù)，黑色為表面態(tài)Rashba在動(dòng)量上的劈裂大小，紅線為唯象標(biāo)度律擬合結(jié)果。（b）和（c）分別為2.5 nm和3.0 nm的EB=-0.13 eV處的ARPES強(qiáng)度譜。