基于硅烯和石墨烯自旋半導體納米帶的熱自旋輸運特性的研究.pdf

1、熱激發(fā)自旋電子學是一門研究熱與自旋相互關系的新型電子學，并已成為凝聚態(tài)物理一個熱門的研究方向。近些年來，低維材料的快速發(fā)展為未來新器件材料的選擇提供了方向。硅烯和石墨烯，由于它們本身獨有的電子特性，以及優(yōu)異的物理和化學性能而受到了廣泛的關注。本論文基于硅烯和石墨烯兩種材料，將其構造成具有自旋半導體特性的納米帶，并將其設計為熱自旋電子學器件。采用了基于第一性原理的密度泛函理論和非平衡態(tài)格林函數理論相結合的方法，對以上器件的熱自旋輸運性質進

2、行研究。主要內容如下：
　?。?）我們設計了一種不規(guī)則的類鋸齒型的硅烯納米帶（Sawtooth-like Silicene Nanoribbons,ST SiNRs），對納米帶邊緣加氫鈍化后，發(fā)現其自旋向上和自旋向下的能帶在費米面處都存在能隙，表現出自旋半導體特性。隨后，在基于ST SiNRs構成的同質結器件中，我們研究了相關的熱自旋電流輸運性質。該器件是左右電極都用兩個半無限長、雙邊都加一個氫原子鈍化的ST SiNRs形成的同質

3、結。計算結果表明，當我們在左右電極施加溫度梯度時，由于ST SiNRs特殊的能帶結構，熱激發(fā)載流子可能會產生純凈的自旋流，特別是自旋方向不同的電子產生的自旋流數值幾乎相等，得到了完美的自旋塞貝克效應。并且對于總自旋流而言，表現出自旋塞貝克二極管效應。另外，我們計算了不同寬度的納米帶構成的器件的熱電輸運性質。通過計算發(fā)現，偶數寬度的納米帶由于自旋向上電流和自旋向下電流曲線較為對稱，更有利于自旋塞貝克效應和自旋塞貝克二極管效應的產生，并且在

4、總的電荷流中發(fā)現了負微分電阻效應。相比較而言，奇數寬度的ST SiNRs在溫度梯度的作用下，仍然有二極管效應，能夠同時產生自旋流和電荷流。同時我們還研究了另一種不規(guī)則的類似于“T”字形的硅烯納米帶（TSiNRs）結構的熱自旋輸運性質，在這種結構中我們同樣發(fā)現了自旋塞貝克效應及自旋塞貝克二極管效應，但在TSiNRs中，這些效應的出現與納米帶寬度的奇偶沒有明顯關系。這些發(fā)現可以推廣到其他的自旋半導體材料中，并且為熱激發(fā)自旋電子學器件以及材料

5、的設計拓寬了思路。
　?。?）我們研究了一種新型的鋸齒型石墨烯納米帶（Zigzag Graphene Nanoribbons,ZGNRs），該納米帶結構由兩條最窄GNRs通過碳四元環(huán)在恰當的位置連接起來，其Zigzag方向上的寬度為5個碳原子，形成新型鋸齒型石墨烯納米帶(5,5)-ZGNRs。我們將其邊緣碳原子都用一個氫原子鈍化，形成左右電極都為半無限長的氫原子鈍化的(5,5)-ZGNRs同質結。我們同樣對該同質結器件進行了熱自旋