石墨烯介觀納米結(jié)構(gòu)量子輸運與調(diào)控研究.pdf

1、近年來，隨著納米技術的發(fā)展和新材料的不斷開發(fā)，各種介觀納米結(jié)構(gòu)不斷地被成功制備，如量子點和量子線、石墨烯及其納米條帶等。它們在國防及民生的各個領域中有著廣泛的應用前景，這使得介觀納米體系的量子輸運研究迅速成為凝聚態(tài)物理前沿的熱點之一.本文主要對基于石墨烯的介觀納米混雜耦合體系的電子輸運性質(zhì)及其調(diào)控進行了研究，旨在為介觀器件的制作及納米量子電路超大規(guī)模集成提供一些有價值的理論支持和參考。
　　 全文共分為六章：
　　 第一

2、章為緒論，主要對本文涉及的幾種介觀納米結(jié)構(gòu)的制備、基本性質(zhì)及其輸運研究背景、我們的研究內(nèi)容與方法進行簡單介紹。
　　 第二章，我們理論計算了扶手椅邊緣石墨烯納米條帶各格點附近的局域電子態(tài)，并利用一維半無限長量子線模擬掃描隧道顯微鏡(STM)探針對其進行STM隧穿電流探測.結(jié)果表明：半導體型石墨烯納米條帶中，所有格點附近都分布著具有半導體性質(zhì)的電子態(tài).而金屬型石墨烯納米條帶中，除了在其第3j-1和3j-2(j為正整數(shù)，第1條鏈對應

3、條帶的邊界)碳鏈的格點附近分布著具有金屬性質(zhì)的電子態(tài)外，在其第3j鏈的格點附近居然還分布著具有半導體性質(zhì)的電子態(tài).因此，在金屬型納米條帶中，緊鄰的3j-1和3j-2鏈上的格點相互連通構(gòu)成了低能電子的平面?zhèn)鬏斖ǖ溃?j半導體性質(zhì)的鏈在每兩條通道之間間隔存在保證了它們的低能導通獨立性.這些電子態(tài)的分布可以通過STM隧穿電流來探測：當STM探針靠近具有半導體性質(zhì)電子態(tài)的格點，STM隧穿電流出現(xiàn)了明顯的零數(shù)值平臺，其閾值電壓Vc由條帶寬度N決定

4、；當STM探針靠近具有金屬性質(zhì)電子態(tài)的格點，零電流平臺消失.對于非常寬的扶手椅邊緣納米條帶，即石墨烯片，半導體電子態(tài)和半金屬電子態(tài)也共存于其寬度大約為7nm的邊界區(qū)域里.讓人意外的是，石墨烯片所有格點的STM隧穿電流總存在零數(shù)值平臺，而且，閾值電壓Vc隨著STM探針從其邊界往中心稍描而逐漸減小，直至穩(wěn)定于一個不為零的小偏壓值為止.另外，我們還發(fā)現(xiàn)扶手椅邊緣石墨烯納米條帶的伏安特性曲線是折直線型，這與石墨烯片的光滑彎曲伏安特性線型有顯著差

5、別.依據(jù)以上性質(zhì)，我們相信利用STM技術可以鑒別扶手椅石墨烯樣本的導電性質(zhì)和寬度。
　　 第三章，我們理論計算了鋸齒邊緣石墨烯納米條帶各格點附近的局域電子態(tài)，并利用一維半無限長量子線模擬STM探針對其進行STM隧穿電流探測.結(jié)果表明：處在費米能級附近的電子不僅被強烈地局域在鋸齒邊緣石墨烯納米條帶的邊界格點附近，它們還被局域在靠近邊界的第2j-1(j為正整數(shù)，第1條鏈對應條帶的邊界)鏈的格點附近，且越靠近邊界，其局域性越明顯.與其

6、形成鮮明反差的是，靠近邊界第2j鏈上的格點對這些電子幾乎沒有局域能力.這些性質(zhì)可以通過STM隧穿電流探測到：當STM探針靠近第2j-1鏈上的格點時，STM隧穿電流上出現(xiàn)了近似零數(shù)值平臺，且越靠近邊界，其閾值電壓Vc越大.有趣的是，當STM探針靠近第2j鏈上的格點時，STM隧穿電流卻能在很低偏壓下飆升至很大值，越靠近邊界，電流飆升現(xiàn)象也越明顯.于是，我們推斷靠近鋸齒邊緣石墨烯納米條帶邊界的偶數(shù)鏈是電子的良好平面?zhèn)鬏斖ǖ?結(jié)合第二章，我們發(fā)

7、現(xiàn)扶手椅邊緣石墨烯納米條帶和鋸齒邊緣石墨烯納米條帶的STM隧穿電流特征有顯著的不同.因此我們相信利用STM技術可以鑒別它們。
　　 第四章，我們研究了石墨烯對強關聯(lián)量子點(QuntumDot)嵌入雙正常金屬電極(Reservoirs)(簡稱QDR)體系電子輸運性質(zhì)的調(diào)控.結(jié)果表明：當石墨烯的Dirac能級處在QDR體系的費米能級(εF=0)上時，隨著石墨烯的靠近，QDR體系的量子點與電極之間的Kondo關聯(lián)增加，導致能借助于Ko

8、ndo效應隧穿QDR體系的電子所占能譜變寬.這就使得在實驗中高偏壓下觀測QDR體系的Kondo效應成為可能.而且，調(diào)節(jié)加在石墨烯上面的門電壓，使石墨烯的Dirac能級背離QDR體系的εF，石墨烯處于QDR體系εF上的電子態(tài)增強了對量子點的Kondo屏蔽，從而削弱甚至完全壓制QDR體系的Kondo傳輸.此時，石墨烯-QDR體系表現(xiàn)出明顯的場效應管行為，石墨烯對QDR體系的電流具有良好的調(diào)控能力。
　　 第五章，我們研究了小尺寸介觀

9、Aharonov-Bhom(AB)環(huán)對強關聯(lián)量子點嵌入雙正常金屬電極(QDR)體系電子輸運性質(zhì)的調(diào)控.結(jié)果表明：介觀AB環(huán)猶如一個多能級的分子旁耦合于QDR體系的量子點，為電子從源電極隧穿量子點到達漏電極提供了多條可用磁通φ選擇的折回路徑，從而導致多能級Fano效應的產(chǎn)生.有趣的是，在偶宇稱環(huán)體系中，介觀AB環(huán)分子總有一個能級位于QDR體系的費米能級(εF=0)上.調(diào)節(jié)φ，可以選擇其對QDR體系中的電子是否導通.當其導通，環(huán)-QDR體系

10、在εF處的Fano效應完全壓制QDR體系的Kondo效應，導致QDR體系的Kondo通道對電子輸運完全關閉，反之，Kondo通道將被打開。這就實現(xiàn)了磁通量子開關效應，然而，只有在介觀AB環(huán)與量子點之間的耦合tc足夠強時，它才會出現(xiàn)在奇宇稱環(huán)體系中.隨著tc的增加，多能級Fano效應的聯(lián)合干涉會導致Kondo-Dicke效應的出現(xiàn)，進而誘導出QDR體系的零微分電導阱的有序排列和臺階式電流。
　　 第六章總結(jié)了本文的工作，并對我們的