石墨烯及其納米帶電磁輸運性質(zhì)研究.pdf

1、石墨烯是一種新型二維平面碳納米材料,其電子在狄拉克點附近的線性色散關(guān)系決定了它具有豐富而新奇的性質(zhì)。自2004年底成功制備以來,迅速成為凝聚態(tài)物理、材料、化學(xué)、信息和生物技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域的交叉研究熱點之一。本文分別采用狄拉克方程,緊束縛近似,非平衡態(tài)格林函數(shù)和第一原理等方法對石墨烯及其納米帶的電子輸運和自旋輸運性質(zhì)進行了較系統(tǒng)的理論研究,為其在納米電子器件,自旋量子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
　　 第一章為緒論部分,簡要介紹了

2、石器烯的發(fā)現(xiàn)及實驗制備,石器烯及其納米帶的應(yīng)用背景。
　　 第二章詳細介紹了石墨烯及其納米帶的能帶結(jié)構(gòu)以及石罷烯的奇異物理性質(zhì)。
　　 第三章,利用狄拉克方程研究了單模式和多模式扶手椅型石墨烯納米帶在外加方勢壘下的輸運性質(zhì)。結(jié)果表明:對于金屬扶手椅邊緣石墨烯納米帶,最低子帶對應(yīng)的透射系數(shù)恒為1,其它子帶的透射譜與半導(dǎo)體扶手椅納米帶系統(tǒng)中的子帶類似。所有子帶均敏感地依賴于扶手椅納米帶的寬度以及勢壘的寬度和高度。此外,還研究

3、了多模式金屬和半導(dǎo)體型扶手椅納米帶的電導(dǎo)和Fano因子。結(jié)果表明:電導(dǎo)最小對應(yīng)Fano因子最大,且Fano因子最大值大于石墨烯中Fano因子的普適值(1/3)。
　　 第四章是研究的重點內(nèi)容。推導(dǎo)出了石墨烯和扶手椅石墨烯納米帶在動量空間中的推遲格林函數(shù)。利用非平衡格林函數(shù)方法,系統(tǒng)地研究了外加磁絕緣體下石罷烯的自旋輸運性質(zhì)。結(jié)果表明:在兩鐵磁平行分布的情況下,系統(tǒng)電子自旋向上(向下)的態(tài)密度隨兩鐵磁電極極化強度的增大而減小(增加

4、)；但系統(tǒng)的電導(dǎo)正好相反,電子自旋向上(向下)的電導(dǎo)隨鐵磁電極極化強度的增大而增加(減小)。系統(tǒng)電子自旋向上和向下的電流在小偏壓時呈現(xiàn)出線性行為,而在大偏壓時則表現(xiàn)為非線性現(xiàn)象。有趣的是,當磁絕緣體在石墨烯中引起的交換劈裂能為0時,系統(tǒng)的TMR呈現(xiàn)出一個尖端結(jié)構(gòu),在0電壓處出現(xiàn)極大值。而當交換劈裂能不為0時,這一尖端結(jié)構(gòu)被強烈地抑制。此外,系統(tǒng)的自旋轉(zhuǎn)矩隨兩鐵磁電極磁矩的相對夾角呈正弦函數(shù)變化,而隨電壓的關(guān)系類似于系統(tǒng)的電流,且正比于兩

5、鐵磁平行分布下自旋電流的大小,自旋轉(zhuǎn)矩對交換劈裂能大小的變化不甚敏感?；谙嗤姆椒?進一步研究了外加磁絕緣體下7-和8-扶手椅石墨烯納米帶的自旋輸運性質(zhì)。研究結(jié)果表明,對于7-(8-)扶手椅理想條帶,系統(tǒng)的態(tài)密度隨電子入射能量的關(guān)系在費米能附近表現(xiàn)為對稱的0平臺(非0平臺)；當電子入射能量遠離費米能時,7-和8-扶手椅納米帶的電子自旋向上和向下的態(tài)密度均呈現(xiàn)出一系列尖峰結(jié)構(gòu)。由于量子尺寸效應(yīng),線性電導(dǎo)、微分電導(dǎo)也呈現(xiàn)出一系列尖峰結(jié)構(gòu),

6、且這些尖峰的位置隨交換劈裂能而變化。有趣的是,在交換劈裂能為0時,7-和8-扶手椅納米帶的TMR,在0電壓附近均呈現(xiàn)出理想的平臺結(jié)構(gòu)；而當交換劈裂能不為0時,7-扶手椅納米帶的TMR的平臺結(jié)構(gòu)變窄,8-扶手椅納米帶的TMR,在0電壓附近出現(xiàn)一個更高的平臺結(jié)構(gòu),其寬度正比于交換劈裂能的大小。通過進一步研究,發(fā)現(xiàn)7-扶手椅納米帶的自旋轉(zhuǎn)矩定量上要大于8-扶手椅納米帶；7-和8-扶手椅納米帶的自旋轉(zhuǎn)矩隨兩鐵磁電極磁矩的相對夾角變化與石墨烯系統(tǒng)

7、類似；與石墨烯不同的是,7-和8-扶手椅型納米帶的自旋轉(zhuǎn)矩隨交換劈裂能呈振蕩行為。
　　 第五章利用第一原理AtomisticToolkit程序包,計算了摻雜與非摻雜十字型石墨烯納米結(jié)系統(tǒng)的電子輸運性質(zhì).計算結(jié)果表明,十字型結(jié)的電子輸運性質(zhì)十分敏感于分支的高度、寬度等幾何特性和慘雜的位置。例如,當?shù)?或硼)摻雜于兩臂時,發(fā)現(xiàn)十字型石墨烯納米結(jié)系統(tǒng)在低偏壓情況下電流隨偏壓的增加基本保持為零；但當?shù)?或硼)摻雜于兩干時,電流隨偏壓的