锯齿型石墨烯纳米带边界带的调控

摘要

由于石墨烯优异的电子学特性，最近几年引起越来越多人的关注，之后人们对石墨烯纳米带的能带结构和电输运性质进行了大量理论研究。早期理论研究提出了零能隙无质量Dirac粒子色散关系，发现二维窄锯齿型石墨烯纳米带具有零能的边界带。但是其零带隙的特点限制了它们在电子学器件上的应用。为此，科学家不断的探寻打开石墨烯带隙的方法。本论文中，基于包含自洽格点在位库仑能的Kane-mele模型，研究窄锯齿型石墨烯纳米带，试图探索调控其中四个边界带能带结构的方法。
　　首先，考虑环境对边界处键长的影响，通过调节边界处原子间的跃迁系数来进行理论模拟环境对边界带结构的影响。当锯齿型石墨烯纳米带的两个边界处在同一环境中，通过双边调控理论模拟表明能带结构依旧保持k空间对称性，随着跃迁系数的增大，边界带的费米波矢都在向0.5靠近，能隙线性减小。如果将锯齿型石墨烯纳米带的两边放在不同环境中，通过单边调控理论模拟表明能带结构对称性被破坏，随着跃迁系数的减小，该边界对应的边界态范围扩大。因此，可以通过调节边界处原子间的跃迁系数来调控不同边界带的能带结构参数。
　　其次，在锯齿型石墨烯纳米窄带平面内加入横向电场，详细研究了四个边界带能带结构随强度的变化过程。研究结果显示，当电场强度较弱时，外加电场的方向可以调控自旋向下的两个边界带一起朝不同方向移动，导致波矢q=0.5处自旋向下的两个纯边界态的能量简并劈裂方向可由电场调控;当电场强度进一步增强到超过0.69V/nm，自旋向下的两个边界带出现较大带隙，能带反转，而自旋向上的电子结构无能隙，系统呈现半金属性，同时QSH体系不再是B类。特别当电场强度为1.17V/nm时，在自旋向下能带的能隙中q=0.5处存在自旋向上的纯边界态，意味着在8格点边界处可以产生自旋向上的纯边界电流。当电场强度持续增加时，QSH系统从B类到C类经历3个阶段的变化。当电场强度超过1.42V/nm后，自旋向上的两个边界带也出现能带反转，分别成为导带和价带，系统成为C类的普通量子霍尔体系。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 单层石墨烯的几何结构及能带结构

1．2 石墨烯纳米带边界带的研究进展

1．3 石墨烯纳米带边界带的调控

1．4 本文主要研究工作及内容安排

第二章 石墨烯纳米带边界带的计算方法

2．1 第一性原理计算

2．1．1 密度泛函理论

2．2 紧束缚近似

2．2．1 含SO的Kane-Mele模型

2．2．2 本文研究方法

第三章 跃迁系数对窄锯齿型石墨烯纳米带边界带的影响

3．1 理论方法

3．2 结果与讨论

3．3 总结

第四章 锯齿型石墨烯纳米窄带中量子霍尔体系的电场调控

4．1 理论方法

4．2 结果与讨论

4．3 总结

第五章 总结与展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢