類石墨烯材料中巨磁阻和熱電效應的研究.pdf

1、本論文利用結(jié)合密度泛函理論與非平衡格林函數(shù)的第一性原理方法和緊束縛模型研究了類石墨烯納米帶中的電輸運、磁輸運和熱電性能。詳細討論了鋸齒型?石墨炔納米帶的奇偶特性，邊緣摻雜對納米帶的電導譜、巨磁阻效應和熱電效應的影響。通過石墨烯緊束縛模型的解析分析及輸運與系統(tǒng)特征參數(shù)關(guān)系的計算對這些性質(zhì)進行了深入的理解。本文的要點如下：
　　1.運用密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的方法研究了鋸齒型?石墨炔納米帶兩極系統(tǒng)自旋相關(guān)的電學性質(zhì)。通過理

2、論計算模擬，我們首先預測在完美的偶數(shù)寬度鋸齒型?石墨炔納米帶中可實現(xiàn)高達10<'6>％的巨磁阻效應而在奇數(shù)寬度納米帶中磁阻則總是很小。通過對鐵磁納米帶中費米能附近波函數(shù)的分析，理解了偶數(shù)寬度納米帶中波函數(shù)橫向幾何對稱性導致這些奇偶效應的物理原因。在鐵磁電極磁化反平行構(gòu)型下，奇數(shù)寬度納米帶每種自旋的電導譜在費米能處為高度G0=e2/h的平臺，而偶數(shù)寬度納米帶對應的是一個寬度為0.15eV的電導隙。有意思的是，如果將中心區(qū)磁化翻轉(zhuǎn)處的邊緣碳

3、原子替換成其它原子，上述的奇偶效應出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。通過對反平行構(gòu)型下兩極系統(tǒng)散射態(tài)的分析，我們發(fā)現(xiàn)在奇數(shù)寬度的納米帶中，雜質(zhì)原子會阻礙邊緣態(tài)的擴展，因而導致電導降低。而在偶數(shù)寬度的納米帶中，雜質(zhì)原子破壞了量子態(tài)的橫向?qū)ΨQ性，解除了對稱性對電子輸運的限制，使電導升高。由于在電極磁化平行構(gòu)型下納米帶電導的奇偶效應很弱，且對摻雜不敏感，這樣巨磁阻效應只出現(xiàn)在偶數(shù)寬度的完美納米帶或奇數(shù)寬度的摻雜納米帶中。這個結(jié)果表明我們可以在很大范圍內(nèi)通過邊緣摻雜來

4、控制這種材料中的磁阻效應。
　　2.系統(tǒng)地研究了線性響應條件下不同寬度（寬度n=3,4,5和6）鋸齒型α石墨炔納米帶兩極系統(tǒng)中摻雜對自旋熱電效應的增強。在完美的鐵磁納米帶中，要實現(xiàn)強自旋熱電效應、獲得比電荷塞貝克系數(shù)SC高的自旋塞貝克系數(shù)SS是很困難的。邊緣摻雜能破壞系統(tǒng)的幾何對稱性并增強自旋熱電效應。這種增強的程度依賴于納米帶的寬度以及摻雜類型和位置。在電極磁化平行構(gòu)型下，用Ⅴ主族元素N原子進行摻雜可使寬度n=5和6的納米帶在很

5、大的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn) SS>>SC，在室溫下可以大10倍。在反平行構(gòu)型下，如果在磁化翻轉(zhuǎn)位置之外的邊緣處摻雜，在偶數(shù)寬度的納米帶中可以實現(xiàn) SS>>SC。這時在低溫下能存在非常穩(wěn)定的強自旋熱電效應。并且在特定溫度下，當電荷塞貝克系數(shù)為零時該材料中的溫差可以產(chǎn)生純自旋流。
　　3.鑒于類石墨烯二維材料的相似性以及各種化學修飾對其輸運性質(zhì)顯著調(diào)制作用，結(jié)合緊束縛近似模型和格林函數(shù)方法，我們試圖建立一個適用于這些材料的通用輸運模型，更加系

6、統(tǒng)地研究并理解原子無序?qū)︻愂┘{米帶的輸運性質(zhì)和熱電特性的影響。通過在完美石墨烯鐵磁納米帶緊束縛模型中加入一個可以連續(xù)變化的缺陷勢來模擬各種化學修飾帶來的無序，我們研究了邊緣原子位置缺陷勢對納米帶性質(zhì)的影響。我們仔細分析了缺陷勢逐漸變大時系統(tǒng)輸運從量變到質(zhì)變的過程。結(jié)果表明我們用第一性原理模擬得到的結(jié)果普遍存在于類石墨烯二維材料中。原子無序可以打開（關(guān)閉）奇數(shù)（偶數(shù)）寬度鋸齒型類石墨烯材料納米帶中的巨磁阻效應。這是因為在電極磁化平行構(gòu)