Tunable spin photogalvanic effect in two-dimensional van der Waals ferroelectric semiconductors with spin-orbit coupling

凝聚态物理 自旋轨道相互作用 半导体 范德瓦尔斯力 自旋(空气动力学) 联轴节(管道) 范德瓦尔斯株 铁电性 物理 材料科学 量子力学 范德瓦尔斯半径 电介质 分子 热力学 冶金
作者
Shibo Fang,Min Wang,Xingyue Yang,Zongmeng Yang,Qiuhui Li,Zhaochu Luo,Jing Lü
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:109 (19) 被引量:18
标识
DOI:10.1103/physrevb.109.195202
摘要

Spin photogalvanic effect is a nonlinear effect that can generate spin currents through optical excitation in intrinsic semiconductors without parity inversion symmetry. The efficient control of the spin photogalvanic effect is of great significance for the research of computing-in-memory devices. In this work, we investigate the ferroelectric modulation of the spin photogalvanic effect in two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) ferroelectric semiconductors with spin-orbit coupling, including the in-plane, out-of-plane, and in-plane/out-of-plane-coupled ferroelectrics. We provide the general form of the spin photogalvanic effect controlled by ferroelectricity in 2D vdW spin-orbit coupling ferroelectric semiconductors by the second-order perturbation theory. In the in-plane ferroelectrics excited by circularly polarized light, we discover an effect where the reversal of the ferroelectric polarization will maintain the spin current unchanged but change the direction of the charge current. We name this effect the hidden spin current modulation. Using first-principles quantum transport simulation, we validate our theory with three cases of the black phosphorus-like Bi (in-plane ferroelectric), monolayer \ensuremath{\alpha}-GeTe (out-of-plane ferroelectric), and $\ensuremath{\alpha}\text{\ensuremath{-}}\mathrm{I}{\mathrm{n}}_{2}\mathrm{S}{\mathrm{e}}_{3}$ (in-plane and out-of-plane coupled ferroelectric). Our study paves the way for the research of next-generation low-dimensional computing-in-memory devices.
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