石墨烯基磁隧穿结的隧穿磁电阻效应

摘要

石墨烯作为二维碳纳米材料，由于独特的电子结构表现出许多新奇的物理性质，使其成为纳米自旋电子器件极其重要材料。如何在石墨烯中获得自旋极化的电子流是石墨烯基自旋电子学研究的一个重要课题。本论文基于采用密度泛函理论的第一性原理及非平衡格林函数的方法，针对石墨烯基隧穿磁阻结的量子输运性质的调制效应展开研究，主要研究成果如下：
　　1、我们针对石墨烯与过渡金属Cr构成的磁隧穿结的电子输运性质进行了系统的研究。在零偏压下，Cr/graphene/Cr磁隧穿结的隧穿磁阻比率达到了108％，表现为明显的自旋过滤器特征，该系统可以实现高比率的自旋过滤的主要原因是Cr(111)在倒空间M、K点附近铁磁状态下自旋向上的k|-resolved传输电导远大于其自旋向下和反平行状态下的的k|-resolved传输电导，而石墨烯中的碳原子与Cr原子在界面处强烈的耦合作用，使得n型掺杂石墨烯在M和K点附近对电子的传输具有选择性，为单自旋电子传输提供有效的传输通道，从而提高了系统的电子输运性质。此外，通过对传输电导和隧穿磁电阻的分析发现，在低偏压窗口[-0.5V,0.5V]，随着外加偏压的增大，体系的I-V特性曲线在零偏压附近呈线性变化，表现出了良好的金属特性。为了量化外加偏压对Cr/graphene/Cr隧穿磁阻效应的调控，我们计算了外加偏压下的隧穿磁阻率，计算结果表明外加偏压能有效调控系统的隧穿磁阻比率。在[-0.5V,0.2V]偏压窗口下，体系的隧穿磁阻比率随着外加偏压的增大而减小，当偏压大于0.2V时，系统的隧穿磁阻比率不再减小，而是随着偏压的增大变化呈现出65％左右的平台；
　　2、对比研究了石墨烯和石墨烷与过渡金属Ni构成隧穿磁阻结的量子输运性质。当石墨烷吸附在Ni(111)表面时，它的稳定吸附结构与石墨烯在Ni衬底的稳定吸附位置相同，即top-fcc对位。通过对传输系数谱线的计算，结果发现，石墨烷与Ni构成的隧穿磁阻结的隧穿磁阻率与Ni/graphene/Ni体系相比降低了6.4％，主要原因是Ni/graphene/Ni磁隧穿结中的绝缘层石墨烯为电子传输提供有效通道。此外，通过对两系统的平均平面静电势的计算发现，氢化能有效调控graphene/Ni平面结的功函数，进而影响系统的TMR值。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 碳的同素异形体

1.3 石墨烯

1.4 石墨烯电学性质的调制

1.5 隧穿磁阻效应

1.6 本论文的研究目的和内容

第2章 研究方法和理论背景

2.1 第一性原理与密度泛函理论

2.2 交换关联泛函

2.3 非平衡格林函数

2.4 计算软件包

第3章Cr/graphene/Cr磁隧穿结的隧穿磁电阻效应

3.1 引言

3.2 计算模型与方法

3.3 结果分析与讨论

3.4 本章小结

第4章 石墨烷磁隧穿结的隧穿磁阻效应

4.1 引言

4.2 模型和计算方法

4.3 结果分析与讨论

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文