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

1、近年來(lái)，隨著納米技術(shù)的發(fā)展和新材料的不斷開(kāi)發(fā)，各種介觀納米結(jié)構(gòu)不斷地被成功制備，如量子點(diǎn)和量子線(xiàn)、石墨烯及其納米條帶等。它們?cè)趪?guó)防及民生的各個(gè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景，這使得介觀納米體系的量子輸運(yùn)研究迅速成為凝聚態(tài)物理前沿的熱點(diǎn)之一.本文主要對(duì)基于石墨烯的介觀納米混雜耦合體系的電子輸運(yùn)性質(zhì)及其調(diào)控進(jìn)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(jià)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(duì)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(yùn)研究背景、我們的研究?jī)?nèi)容與方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
　　 第二章，我們理論計(jì)算了扶手椅邊緣石墨烯納米條帶各格點(diǎn)附近的局域電子態(tài)，并利用一維半無(wú)限長(zhǎng)量子線(xiàn)模擬掃描隧道顯微鏡(STM)探針對(duì)其進(jìn)行STM隧穿電流探測(cè).結(jié)果表明：半導(dǎo)體型石墨烯納米條帶中，所有格點(diǎn)附近都分布著具有半導(dǎo)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(duì)應(yīng)

3、條帶的邊界)碳鏈的格點(diǎn)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(diǎn)附近居然還分布著具有半導(dǎo)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(diǎn)相互連通構(gòu)成了低能電子的平面?zhèn)鬏斖ǖ溃?j半導(dǎo)體性質(zhì)的鏈在每?jī)蓷l通道之間間隔存在保證了它們的低能導(dǎo)通獨(dú)立性.這些電子態(tài)的分布可以通過(guò)STM隧穿電流來(lái)探測(cè)：當(dāng)STM探針靠近具有半導(dǎo)體性質(zhì)電子態(tài)的格點(diǎn)，STM隧穿電流出現(xiàn)了明顯的零數(shù)值平臺(tái)，其閾值電壓Vc由條帶寬度N決定

4、；當(dāng)STM探針靠近具有金屬性質(zhì)電子態(tài)的格點(diǎn)，零電流平臺(tái)消失.對(duì)于非常寬的扶手椅邊緣納米條帶，即石墨烯片，半導(dǎo)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(diǎn)的STM隧穿電流總存在零數(shù)值平臺(tái)，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(gè)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(xiàn)是折直線(xiàn)型，這與石墨烯片的光滑彎曲伏安特性線(xiàn)型有顯著差

5、別.依據(jù)以上性質(zhì)，我們相信利用STM技術(shù)可以鑒別扶手椅石墨烯樣本的導(dǎo)電性質(zhì)和寬度。
　　 第三章，我們理論計(jì)算了鋸齒邊緣石墨烯納米條帶各格點(diǎn)附近的局域電子態(tài)，并利用一維半無(wú)限長(zhǎng)量子線(xiàn)模擬STM探針對(duì)其進(jìn)行STM隧穿電流探測(cè).結(jié)果表明：處在費(fèi)米能級(jí)附近的電子不僅被強(qiáng)烈地局域在鋸齒邊緣石墨烯納米條帶的邊界格點(diǎn)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(duì)應(yīng)條帶的邊界)鏈的格點(diǎn)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(diǎn)對(duì)這些電子幾乎沒(méi)有局域能力.這些性質(zhì)可以通過(guò)STM隧穿電流探測(cè)到：當(dāng)STM探針靠近第2j-1鏈上的格點(diǎn)時(shí)，STM隧穿電流上出現(xiàn)了近似零數(shù)值平臺(tái)，且越靠近邊界，其閾值電壓Vc越大.有趣的是，當(dāng)STM探針靠近第2j鏈上的格點(diǎn)時(shí)，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?zhǔn)请娮拥牧己闷矫鎮(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(shù)可以鑒別它們。
　　 第四章，我們研究了石墨烯對(duì)強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子點(diǎn)(QuntumDot)嵌入雙正常金屬電極(Reservoirs)(簡(jiǎn)稱(chēng)QDR)體系電子輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控.結(jié)果表明：當(dāng)石墨烯的Dirac能級(jí)處在QDR體系的費(fèi)米能級(jí)(εF=0)上時(shí)，隨著石墨烯的靠近，QDR體系的量子點(diǎn)與電極之間的Kondo關(guān)聯(lián)增加，導(dǎo)致能借助于Ko

8、ndo效應(yīng)隧穿QDR體系的電子所占能譜變寬.這就使得在實(shí)驗(yàn)中高偏壓下觀測(cè)QDR體系的Kondo效應(yīng)成為可能.而且，調(diào)節(jié)加在石墨烯上面的門(mén)電壓，使石墨烯的Dirac能級(jí)背離QDR體系的εF，石墨烯處于QDR體系εF上的電子態(tài)增強(qiáng)了對(duì)量子點(diǎn)的Kondo屏蔽，從而削弱甚至完全壓制QDR體系的Kondo傳輸.此時(shí)，石墨烯-QDR體系表現(xiàn)出明顯的場(chǎng)效應(yīng)管行為，石墨烯對(duì)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(duì)強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子點(diǎn)嵌入雙正常金屬電極(QDR)體系電子輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控.結(jié)果表明：介觀AB環(huán)猶如一個(gè)多能級(jí)的分子旁耦合于QDR體系的量子點(diǎn)，為電子從源電極隧穿量子點(diǎn)到達(dá)漏電極提供了多條可用磁通φ選擇的折回路徑，從而導(dǎo)致多能級(jí)Fano效應(yīng)的產(chǎn)生.有趣的是，在偶宇稱(chēng)環(huán)體系中，介觀AB環(huán)分子總有一個(gè)能級(jí)位于QDR體系的費(fèi)米能級(jí)(εF=0)上.調(diào)節(jié)φ，可以選擇其對(duì)QDR體系中的電子是否導(dǎo)通.當(dāng)其導(dǎo)通，環(huán)-QDR體系

10、在εF處的Fano效應(yīng)完全壓制QDR體系的Kondo效應(yīng)，導(dǎo)致QDR體系的Kondo通道對(duì)電子輸運(yùn)完全關(guān)閉，反之，Kondo通道將被打開(kāi)。這就實(shí)現(xiàn)了磁通量子開(kāi)關(guān)效應(yīng)，然而，只有在介觀AB環(huán)與量子點(diǎn)之間的耦合tc足夠強(qiáng)時(shí)，它才會(huì)出現(xiàn)在奇宇稱(chēng)環(huán)體系中.隨著tc的增加，多能級(jí)Fano效應(yīng)的聯(lián)合干涉會(huì)導(dǎo)致Kondo-Dicke效應(yīng)的出現(xiàn)，進(jìn)而誘導(dǎo)出QDR體系的零微分電導(dǎo)阱的有序排列和臺(tái)階式電流。
　　 第六章總結(jié)了本文的工作，并對(duì)我們的