石墨烯納米器件的量子輸運研究.pdf

1、自從2004年Novoselov等人成功制備單層石墨（石墨烯，Graphene)以來，石墨烯以其獨特的電學性質(zhì)，如Klein 隧穿，狄拉克顫動，半整數(shù)霍爾效應等引起了科學家們的廣泛關(guān)注．在科技迅猛發(fā)展的今天，石墨烯已經(jīng)成為一種新型的碳納米材料，并且由其制備出了許多納米尺寸的石墨器件，如量子結(jié)，雙層石墨結(jié)構(gòu)，石墨烯納米帶（graphene nanoribbons，GNRs)等，它們具有巨大的應用前景．石墨烯納米帶作為一種準一維碳納米材料，

2、幾何結(jié)構(gòu)是決定電子結(jié)構(gòu)的主要因素，在實際應用中具有強烈的邊界效應和復雜的電學性質(zhì)，因此對基于石墨烯納米帶的器件研究具有重要的意義。
　　 通過引入各種無序（包含缺陷和摻雜以及其他手段）來研究石墨烯納米帶的電子以及輸運性質(zhì)，成為了當前研究的熱點話題。本文主要利用基于非平衡格林函數(shù)與密度泛函理論相結(jié)合的材料模擬軟件ATK，研究了氮/硼摻雜的異質(zhì)結(jié)的奇異的電荷輸運性質(zhì)，結(jié)合自旋密度泛函理論研究了全碳基的隧穿磁阻裝置，并研究了一種新型的

3、電壓控制的無自旋軌道耦合的雙向純自旋流開關(guān)。
　　 對氮/硼摻雜的異質(zhì)結(jié)的電荷輸運性質(zhì)的研究表明，兩種直接連接或者有隔離區(qū)域的摻雜的扶手椅型異質(zhì)結(jié)不僅在正負偏壓下都具有較大峰谷比的負微分電阻現(xiàn)象，而且這種兩種異質(zhì)結(jié)也都出現(xiàn)了比較大整流系數(shù)的類二極管行為。我們的分析表明共振峰隨著外加偏壓的變化有很大變化，而這對異質(zhì)結(jié)A和B的非線性行為有很重要的影響，同時我們也看到MPSH 能隙在系統(tǒng)A的奇異輸運性質(zhì)中也扮演了很重要的角色。

4、　　 對于由部分打開的碳納米管（石墨烯）和金屬碳納米管組成的全碳基的隧穿磁阻裝置，我們研究了其巨磁阻效應。在這種部分打開碳納米管邊界碳原子為非對稱飽和的結(jié)構(gòu)中，其隧穿磁阻（TMR）隨著外加偏壓的變化呈現(xiàn)出不規(guī)則的振蕩并逐漸衰減至0,同時在振蕩過程中我們發(fā)現(xiàn)了正負TMR甚至出現(xiàn)了TMR反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。我們的分析表明這種奇異的隧穿磁阻現(xiàn)象與部分打開碳納米管邊界碳原子的非對稱飽和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。同時我們發(fā)現(xiàn)這種裝置的電子態(tài)受外加電壓的影響很大。<

5、br>　　 最后我們基于一種新型的摻雜的鋸齒型自旋無能隙石墨烯納米帶構(gòu)造了一種電壓可以控制的不包含自旋軌道耦合的純自旋流雙向開關(guān)——通過改變電壓的方向，我們可以得到100％自旋極化的方向相反的純自旋流。我們從能帶和投影自洽哈密頓本征值（MPSH）分析了出現(xiàn)這種現(xiàn)象的機制。由于無能隙自旋半導體在費米面附近的電子激發(fā)是100％自旋極化，并且不需要激發(fā)能，而且這種無能隙自旋半導體的載流子的移動速度很快，所以這種純自旋流開關(guān)在自旋電子學、量子