硅烯场效应晶体管中电子自旋和谷自由度的全电学调控

摘要

自石墨烯成功制备以来，许多新型二维材料备受物理学和材料科学领域研究者的关注，比如六角氮化硼、二硫化钼以及黑磷等。作为类石墨烯结构的硅烯具有翘曲结构，由于其电子融合了谷、自旋等多重自由度，是近年来前沿领域重点关心的对象之一，已在2012年由Vogt等人制备出来。对硅烯材料电子性质的研究进一步推动了当代电子学概念、理论及应用前景的发展。基于硅烯实验和理论上的最新研究进展，本论文基于硅烯新奇的物理性质设计了场效应管装置，从理论上提出自旋和谷自由度的全电学控制的方法。具体内容安排如下：
　　第一章主要介绍二维材料的兴起、制备以及应用前景，硅烯材料的结构及基本的电子性质和基于二维材料场效应管的实验与理论方面的研究进展。
　　第二章简单介绍研究硅烯场效应管电子输运性质常用的理论方法，包括有效质量模型-Dirac方程理论、紧束缚近似方法、Landauer-Buttiker理论、格林函数方法以及密度泛函理论。
　　第三章主要阐述如何利用反铁磁场来实现硅烯自旋和谷自由度的独立控制。利用有效质量-Dirac方程和 Landauer-Buttiker理论可以证明，在由一个npn结构建的硅烯场效应管中可以实现支持单谷和单自旋输运的谷选择性自旋滤波器(VSSF)。这一场效应管的p型掺杂区外加反铁磁交换场和垂直电场，VSSF特性的实现得益于自旋极化的单谷狄拉克锥可电控状态。这些结果与先前的一些理论计算结果及第一性计算的能带结果都是一致的。
　　第四章详细介绍实现硅烯自旋-谷自由度的全电学控制的新方案。通过理论推导和数值计算，我们探讨了铁磁硅烯器件中的自旋谷极化输运，其中铁磁硅烯器件局部是被层间电场(Ez)控制，通过调节Ez电场可以实现具有100%的谷选择的自旋极化输运的谷自旋过滤器。我们的结果为未来逻辑电路中同时控制谷和自旋两种自由度提供了一条有效途径。
　　第五章给出总结和展望。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 二维材料的兴起、制备以及应用前景

1.3 硅烯材料的结构及基本的电子性质

1.4 基于二维材料场效应管的实验与理论方面的研究和进展

第二章 硅烯的理论研究方法

2.1 有效质量模型-Dirac方程

2.2 紧束缚近似方法

2.3 Landauer-Buttiker公式及格林函数方法

2.4 密度泛函理论(DFT)

第三章 硅烯场效应晶体管中自旋和谷自由度的独立控制

3.1 引言

3.2 硅烯的哈密顿函数和电子态

3.3 理论设想的装置，散射状态和传输系数

3.4 总结

第四章 铁磁硅烯中自旋和谷的全电学控制

4.1 引言

4.2 系统哈密顿量和理论体系

4.3 数值结果和讨论

4.5 总结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢