對于對稱性破缺的體系，在表面/界面處存在電勢梯度，電子自旋-軌道耦合（SOC）導致能帶劈裂，產(chǎn)生一對自旋-動量鎖定、自旋手性相反的能帶結(jié)構(gòu)，這種效應稱為Rashba效應。Rashba效應在非易失性存儲元件、邏輯計算和半導體自旋電子學中有廣泛的應用前景。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體或金屬異質(zhì)結(jié)的界面或二維電子氣體系的Rashba效應，但它們的Rashba系數(shù)相對較小。近年來，研究發(fā)現(xiàn)一些鐵電半導體具有較大的三維Rashba效應，其Rashba系數(shù)比異質(zhì)結(jié)或二維電子氣的高兩個數(shù)量級，但其尺寸效應尚不清楚。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M04課題組利用分子束外延（MBE）方法，實現(xiàn)生長不同厚度的鐵電半導體GeTe薄膜，并對不同厚度的薄膜進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，滿足標度律，三維Rashba效應的臨界厚度為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，體系依舊保持著αR=2.12 eV?，遠高于其它體系中的Rashba系數(shù)。利用電極化強度與貝利曲率的關系，闡明了Rashba效應消失的機理。該研究給出了鐵電半導體Rashba系數(shù)隨厚度的變化關系，并揭示了三維Rashba效應的影響因素，可為利用Rashba效應的器件提供新的設計思路。

相關研究成果發(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。物理所表面實驗室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研發(fā)計劃、國家自然科學基金和中科院前沿科學研究計劃的資助。

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，對應（a）-（e）。藍色三角標識為MDCs峰位，綠色為擬合Rashba能帶色散關系。

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