中国科学技术大学杨金龙院士团队李星星课题组在金属有机Rashba-Dresselhaus材料设计方面取得重要进展：二维手性金属有机骨架首次被开发为具有大自旋劈裂的Rashba-Dresselhaus半导体。相关成果以“Obtaining Giant Rashba-Dresselhaus Spin Splitting in Two-Dimensional Chiral Metal-Organic Frameworks”为题发表于国际知名期刊Chemical Science上。
导读：
Rashba-Dresselhaus（R-D）效应是由空间反演对称破缺环境下自旋轨道耦合作用导致的一种自发自旋劈裂现象。它提供了一种电场调控自旋的有效方法，其优势在于不需要材料本身具有磁性，从而避免了低维磁性材料居里温度通常远低于室温的问题。因此，具有大R-D自旋劈裂的半导体对于制造电场控制的自旋电子器件具有极大的吸引力。然而，目前报道的二维R-D半导体主要是无机材料，且数量有限。此外，影响自旋劈裂的潜在因素和实现大自旋劈裂的一般性方法还有待探索。考虑到无机材料有限的可调性，研究人员将注意力转向二维手性金属有机骨架（CMOFs）。二维CMOFs是金属有机骨架家族的重要子类，近年来受到广泛关注，特别是在不对称催化和对映选择性应用中。R-D自旋劈裂出现的基本条件之一是打破空间反演对称。在这方面，缺乏反演和镜像对称的CMOFs提供了一个天然的设计平台。然而，在二维CMOFs中是否能够实现和如何实现显著的R-D自旋劈裂，以及手性与R-D效应之间的相关性仍不清楚。
图1. 在二维手性金属有机骨架中揭示决定Rashba-Dresselhaus自旋劈裂的五个要素。
针对以上问题，研究人员利用无机配体（-I, -Br, -Cl, -F, -CN, -H）配位的重金属原子（Sr-Sn, Ba-Pb）作为节点，并使用轴向手性配体4,4'-联吡啶衍生物作为连接体，构造了系列CMOFs材料。基于第一性原理计算，在理论上通过三步筛选策略，获得了一系列在价带具有大自旋劈裂（高达97.2 meV）和大R-D耦合常数（高达 1.37 eVÅ）的二维R-D半导体。有趣的是，通过改变金属有机骨架的手性，价带的自旋纹理是可调的。最后，研究人员确定了在二维金属有机骨架中获得大R-D自旋劈裂的五个关键要素：（i）手性，（ii）强自旋轨道耦合，（iii）窄带隙，（iv）价带和导带在Γ点具有相同对称性， (v) 强配体场。
中国科学技术大学化学物理系博士生刘闪闪为第一作者，湖北文理学院徐可副教授和中国科学技术大学化学与材料科学学院李星星教授为共同通讯作者。该研究工作得到了自然科学基金委、科技部和中国科学院的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1039/D3SC06636C