中國科學技術大學楊金龍院士團隊李星星課題組在金屬有機Rashba-Dresselhaus材料設計方面取得重要進展：二維手性金屬有機骨架首次被開發為具有大自旋劈裂的Rashba-Dresselhaus半導體。相關成果以“Obtaining Giant Rashba-Dresselhaus Spin Splitting in Two-Dimensional Chiral Metal-Organic Frameworks”為題發表于國際知名期刊Chemical Science上。

Rashba-Dresselhaus（R-D）效應是由空間反演對稱破缺環境下自旋軌道耦合作用導致的一種自發自旋劈裂現象。它提供了一種電場調控自旋的有效方法，其優勢在于不需要材料本身具有磁性，從而避免了低維磁性材料居里溫度通常遠低于室溫的問題。因此，具有大R-D自旋劈裂的半導體對于制造電場控制的自旋電子器件具有極大的吸引力。然而，目前報道的二維R-D半導體主要是無機材料，且數量有限。此外，影響自旋劈裂的潛在因素和實現大自旋劈裂的一般性方法還有待探索。考慮到無機材料有限的可調性，研究人員將注意力轉向二維手性金屬有機骨架（CMOFs）。二維CMOFs是金屬有機骨架家族的重要子類，近年來受到廣泛關注，特別是在不對稱催化和對映選擇性應用中。R-D自旋劈裂出現的基本條件之一是打破空間反演對稱。在這方面，缺乏反演和鏡像對稱的CMOFs提供了一個天然的設計平臺。然而，在二維CMOFs中是否能夠實現和如何實現顯著的R-D自旋劈裂，以及手性與R-D效應之間的相關性仍不清楚。

圖1.在二維手性金屬有機骨架中揭示決定Rashba-Dresselhaus自旋劈裂的五個要素。

針對以上問題，研究人員利用無機配體（-I, -Br, -Cl, -F, -CN, -H）配位的重金屬原子（Sr-Sn, Ba-Pb）作為節點，并使用軸向手性配體4,4'-聯吡啶衍生物作為連接體，構造了系列CMOFs材料。基于第一性原理計算，在理論上通過三步篩選策略，獲得了一系列在價帶具有大自旋劈裂（高達97.2 meV）和大R-D耦合常數（高達 1.37 eV?）的二維R-D半導體。有趣的是，通過改變金屬有機骨架的手性，價帶的自旋紋理是可調的。最后，研究人員確定了在二維金屬有機骨架中獲得大R-D自旋劈裂的五個關鍵要素：（i）手性，（ii）強自旋軌道耦合，（iii）窄帶隙，（iv）價帶和導帶在Γ點具有相同對稱性，(v) 強配體場。

中國科學技術大學化學物理系博士生劉閃閃為第一作者，湖北文理學院徐可副教授和中國科學技術大學化學與材料科學學院李星星教授為共同通訊作者。該研究工作得到了自然科學基金委、科技部和中國科學院的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D3SC06636C

（化學與材料科學學院、科研部）