Optimization of the contact interface and gate voltage modulation of spin polarization of the spin field effect transistor based on half-metal FeCl2 electrodes

自旋场效应晶体管是自旋电子学领域研究的核心器件，但其发展长期受限于电流自旋极化率低这一瓶颈.二维铁磁半金属FeCl2因其高的居里温度、大的半金属带隙以及在费米能级附近宽的能量范围内保持100%自旋极化的优异特性，为设计具有高电流自旋极化率的场效应晶体管提供了理想平台.但是，器件的电流自旋极化率还取决于电极/沟道界面的能带排列与载流子输运性质.为筛选可实现高效自旋注入的电极/沟道界面，本文基于密度泛函理论，系统地研究了FeCl2电极与9种典型二维半导体沟道材料构成的范德华垂直接触界面的性质.结果表明，所有界面均以弱相互作用耦合，并根据电极/沟道的能带排列可分为欧姆接触与肖特基接触.尽管肖特基接触体系保留了FeCl2电极的半金属性，但接触体系中肖特基势垒与高的隧穿势垒会严重阻碍载流子输运.因此，通过选取具有低隧穿势垒的欧姆接触体系FeCl2/Black Phosphorus (BP)和FeCl2/MoTe2构建了异质结自旋场效应晶体管，并采用非平衡格林函数方法进一步研究了复合电极与半导体沟道间横向接触界面的性质及器件的自旋输运性能.计算结果显示，基于FeCl2/BP的器件在电极/沟道横向界面形成p型肖特基接触，其输出电流虽可被栅压有效调控，但难以实现高度自旋极化；而基于FeCl2/MoTe2的器件在横向界面形成欧姆接触，且得益于其合适的能带排列，在特定的栅压和偏压下可实现近乎100%的电流自旋极化.本文阐明了电极/沟道垂直与横向接触界面性质对自旋场效应晶体管电流自旋极化率的影响，为基于二维半金属的高性能自旋电子器件设计提供了理论参考.