石墨烯纳米器件的量子输运研究

论文摘要

自从2004年Novoselov等人成功制备单层石墨(石墨烯,Graphene)以来,石墨烯以其独特的电学性质,如Klein隧穿,狄拉克颤动,半整数霍尔效应等引起了科学家们的广泛关注.在科技迅猛发展的今天,石墨烯已经成为一种新型的碳纳米材料,并且由其制备出了许多纳米尺寸的石墨器件,如量子结,双层石墨结构,石墨烯纳米带(graphene nanoribbons, GNRs)等,它们具有巨大的应用前景.石墨烯纳米带作为一种准一维碳纳米材料,几何结构是决定电子结构的主要因素,在实际应用中具有强烈的边界效应和复杂的电学性质,因此对基于石墨烯纳米带的器件研究具有重要的意义。通过引入各种无序(包含缺陷和掺杂以及其他手段)来研究石墨烯纳米带的电子以及输运性质,成为了当前研究的热点话题。本文主要利用基于非平衡格林函数与密度泛函理论相结合的材料模拟软件ATK,研究了氮/硼掺杂的异质结的奇异的电荷输运性质,结合自旋密度泛函理论研究了全碳基的隧穿磁阻装置,并研究了一种新型的电压控制的无自旋轨道耦合的双向纯自旋流开关。对氮/硼掺杂的异质结的电荷输运性质的研究表明,两种直接连接或者有隔离区域的掺杂的扶手椅型异质结不仅在正负偏压下都具有较大峰谷比的负微分电阻现象,而且这种两种异质结也都出现了比较大整流系数的类二极管行为。我们的分析表明共振峰随着外加偏压的变化有很大变化,而这对异质结A和B的非线性行为有很重要的影响,同时我们也看到MPSH能隙在系统A的奇异输运性质中也扮演了很重要的角色。对于由部分打开的碳纳米管(石墨烯)和金属碳纳米管组成的全碳基的隧穿磁阻装置,我们研究了其巨磁阻效应。在这种部分打开碳纳米管边界碳原子为非对称饱和的结构中,其隧穿磁阻(TMR)随着外加偏压的变化呈现出不规则的振荡并逐渐衰减至0,同时在振荡过程中我们发现了正负TMR甚至出现了TMR反转现象。我们的分析表明这种奇异的隧穿磁阻现象与部分打开碳纳米管边界碳原子的非对称饱和结构有很大关系。同时我们发现这种装置的电子态受外加电压的影响很大。最后我们基于一种新型的掺杂的锯齿型自旋无能隙石墨烯纳米带构造了一种电压可以控制的不包含自旋轨道耦合的纯自旋流双向开关——通过改变电压的方向,我们可以得到100%自旋极化的方向相反的纯自旋流。我们从能带和投影自洽哈密顿本征值(MPSH)分析了出现这种现象的机制。由于无能隙自旋半导体在费米面附近的电子激发是100%自旋极化,并且不需要激发能,而且这种无能隙自旋半导体的载流子的移动速度很快,所以这种纯自旋流开关在自旋电子学、量子信息存储、量子计算等方面有很重要的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 石墨烯简介
• 1.2 石墨烯电子性质的相关基本知识
• 1.3 本文的工作
• 2 研究基础和计算介绍
• 2.1 石墨烯的电子和输运性质的计算
• 2.2 石墨烯纳米带中的自旋布洛赫态
• 3 掺杂石墨烯纳米带P-N结中的奇异输运性质
• 3.1 关于石墨烯纳米带的研究背景
• 3.2 研究方法以及参数设置
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 本章总结
• 4 纵向剖开的碳纳米管中磁阻的反转和振荡现象
• 4.1 研究方法以及参数设置
• 4.2 结果与讨论
• 4.3 本章总结
• 5 电压控制的无自旋轨道耦合作用的双向纯自旋流开关
• 5.1 研究背景
• 5.2 研究方法以及参数设置
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 本章总结
• 6 全文总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 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经发表或正在完成的学术论文