石墨烯納米器件的量子輸運(yùn)研究.pdf

1、自從2004年Novoselov等人成功制備單層石墨（石墨烯，Graphene)以來，石墨烯以其獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，如Klein 隧穿，狄拉克顫動(dòng)，半整數(shù)霍爾效應(yīng)等引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注．在科技迅猛發(fā)展的今天，石墨烯已經(jīng)成為一種新型的碳納米材料，并且由其制備出了許多納米尺寸的石墨器件，如量子結(jié)，雙層石墨結(jié)構(gòu)，石墨烯納米帶（graphene nanoribbons，GNRs)等，它們具有巨大的應(yīng)用前景．石墨烯納米帶作為一種準(zhǔn)一維碳納米材料，

2、幾何結(jié)構(gòu)是決定電子結(jié)構(gòu)的主要因素，在實(shí)際應(yīng)用中具有強(qiáng)烈的邊界效應(yīng)和復(fù)雜的電學(xué)性質(zhì)，因此對(duì)基于石墨烯納米帶的器件研究具有重要的意義。
　　 通過引入各種無序（包含缺陷和摻雜以及其他手段）來研究石墨烯納米帶的電子以及輸運(yùn)性質(zhì)，成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)話題。本文主要利用基于非平衡格林函數(shù)與密度泛函理論相結(jié)合的材料模擬軟件ATK，研究了氮/硼摻雜的異質(zhì)結(jié)的奇異的電荷輸運(yùn)性質(zhì)，結(jié)合自旋密度泛函理論研究了全碳基的隧穿磁阻裝置，并研究了一種新型的

3、電壓控制的無自旋軌道耦合的雙向純自旋流開關(guān)。
　　 對(duì)氮/硼摻雜的異質(zhì)結(jié)的電荷輸運(yùn)性質(zhì)的研究表明，兩種直接連接或者有隔離區(qū)域的摻雜的扶手椅型異質(zhì)結(jié)不僅在正負(fù)偏壓下都具有較大峰谷比的負(fù)微分電阻現(xiàn)象，而且這種兩種異質(zhì)結(jié)也都出現(xiàn)了比較大整流系數(shù)的類二極管行為。我們的分析表明共振峰隨著外加偏壓的變化有很大變化，而這對(duì)異質(zhì)結(jié)A和B的非線性行為有很重要的影響，同時(shí)我們也看到MPSH 能隙在系統(tǒng)A的奇異輸運(yùn)性質(zhì)中也扮演了很重要的角色。

4、　　 對(duì)于由部分打開的碳納米管（石墨烯）和金屬碳納米管組成的全碳基的隧穿磁阻裝置，我們研究了其巨磁阻效應(yīng)。在這種部分打開碳納米管邊界碳原子為非對(duì)稱飽和的結(jié)構(gòu)中，其隧穿磁阻（TMR）隨著外加偏壓的變化呈現(xiàn)出不規(guī)則的振蕩并逐漸衰減至0,同時(shí)在振蕩過程中我們發(fā)現(xiàn)了正負(fù)TMR甚至出現(xiàn)了TMR反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。我們的分析表明這種奇異的隧穿磁阻現(xiàn)象與部分打開碳納米管邊界碳原子的非對(duì)稱飽和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)這種裝置的電子態(tài)受外加電壓的影響很大。<

5、br>　　 最后我們基于一種新型的摻雜的鋸齒型自旋無能隙石墨烯納米帶構(gòu)造了一種電壓可以控制的不包含自旋軌道耦合的純自旋流雙向開關(guān)——通過改變電壓的方向，我們可以得到100％自旋極化的方向相反的純自旋流。我們從能帶和投影自洽哈密頓本征值（MPSH）分析了出現(xiàn)這種現(xiàn)象的機(jī)制。由于無能隙自旋半導(dǎo)體在費(fèi)米面附近的電子激發(fā)是100％自旋極化，并且不需要激發(fā)能，而且這種無能隙自旋半導(dǎo)體的載流子的移動(dòng)速度很快，所以這種純自旋流開關(guān)在自旋電子學(xué)、量子