基于二维碳材料的自旋电子学和热自旋电子学器件的设计与研究

摘要

“碳”是一种非常奇妙的元素,它有三种不同的杂化态,可以组成不同的物质,拥有截然不同的性质。虽然天然存在的碳的同素异形体只有两种:金刚石和石墨,但是更多的碳的同素异形体已被成功合成,比如富勒烯、碳纳米管和石墨烯。自从2004年石墨烯被成功制备以来,石墨烯材料就以其卓越的电学性质吸引了人们广泛的关注,并得到迅速的发展。众多研究结果表明,石墨烯有可能取代硅成为新一代电子学器件的主要原材料。目前,许多基于石墨烯材料的电子学和自旋电子学器件在理论研究和实验制备中都已成功被实现,包括石墨烯场效应管、二极管、自旋过滤器、自旋阀以及巨磁阻等等。前不久,有报道称,一种新型的碳的同素异形体——石墨炔拥有与石墨烯同样优秀甚至更好的电学性质,并且这种新的二维石墨结构家族中的重要成员——石墨二炔已经被中国科学家成功合成。因此我们的研究主要基于这几种石墨的二维结构:石墨烯、石墨炔以及双层石墨烯,设计出性能更好的自旋电子学器件。我们使用的计算方法是非平衡态格林函数结合密度泛函理论的第一性原理方法。
　　热激发自旋电子学是一种反映热与自旋关系的新型电子学,目前关于石墨烯纳米带热自旋电子学器件的报道较少。因此,我们讨论了一种石墨烯异质结中温差与自旋流之间的关系,得到了理想的自旋塞贝克效应,同时指出了热生纯净自旋流的可能性。另外,这种器件在有无外加磁场的情况下,热致电流的差异非常大,产生了热致庞磁阻效应。因此,基于石墨烯纳米带的热激发自旋电子学器件在理论上是能够实现的。
　　对于石墨炔的输运性质,我们选择了两种不同的结构来进行研究:6,6,12型石墨炔和α型石墨炔。我们发现,不同结构的石墨炔,以及不同裁剪方式的纳米带有完全不同的电子性质,有的表现出金属性,有的表现出半导体性。在这些石墨炔纳米带中,我们不仅发现了负微分电阻现象和自旋极化现象,还设计出了基于石墨炔纳米带的二极管、自旋过滤器、自旋场效应管以及热自旋电子学器件等,充分说明石墨炔也是新型电子学材料的有力竞争者。
　　最后,我们研究了不同堆积方式的双层石墨烯的电子性质,发现不同的堆积方式对双层石墨烯结构和电子能带有不同程度的影响。对zigzag边缘双层石墨烯纳米带层间输运性质的研究中,发现了随偏压变化的自旋极化现象和负微分电阻现象,这些现象对基于双层石墨烯纳米带的自旋电子学器件的发展非常重要。

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1 绪论

1.1半导体硅基电子学

1.2自旋电子学

1.3 基于石墨烯的电子学

1.4 本文的主要研究目的

2 理论基础与计算方法

2.1 第一性原理方法简介

2.2 计算软件简介

3 石墨烯纳米带中的自旋塞贝克效应和热致庞磁阻效应

3.1基于石墨烯纳米带的异质结设计

3.2 计算方法和参数设定

3.3自旋塞贝克效应与庞磁阻效应

3.4 本章小结

4 6,6,12型石墨炔纳米带的输运性质和器件设计

4.1 6,6,12型石墨炔的二维结构和电子性质

4.2 6,6,12型石墨炔纳米带的输运性质

4.3 基于6,6,12型石墨炔纳米带的金属-半导体异质结器件

4.4 基于6,6,12型石墨炔纳米带的金属-半导体-金属结器件

4.5 基于6,6,12型石墨炔纳米带的热激发自旋电子学器件

4.6本章小结

5 α型石墨炔纳米带的输运性质和器件设计

5.1α型石墨炔的结构和电子性质

5.2α型石墨炔纳米带的结构和电子性质

5.3 zigzag边缘α型石墨炔纳米带输运性质

5.4 zigzag边缘α型石墨炔纳米带器件设计

5.5 本章小结

6 Zigzag边缘双层石墨烯纳米带的输运性质研究

6.1 双层石墨烯的电子结构

6.2 Zigzag边缘双层石墨烯纳米带的输运性质

6.3 本章小结

7 全文总结和展望

7.1 全文总结

7.2 下一步的工作和展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间已发表或正在完成的学术论文