基于石墨烯纳米结构的电子自旋输运性质研究

论文摘要

本论文将密度泛函和非平衡格林函数方法相结合,利用Landau-Buttiker公式研究了锯齿型石墨纳米带的电子结构和电子自旋输运特性。重点讨论了对称性、自旋极化效应、边界掺杂对石墨纳米带电子透射及电导的影响,得到了如自旋极化电流、负微分电阻效应等有意义的研究成果。论文首先介绍了石墨烯的发现、制备和独特的电子结构,然后介绍了基于第一性原理密度泛函的非平衡格林函数电子输运理论。在此基础上介绍了硕士期间完成的研究工作。（一）研究了完整锯齿型石墨纳米带的电子结构,与以前不考虑电子自旋时纳米带显示出金属性不同,当考虑电子自旋时,纳米带表现出半导体特性,它与最近的试验结果是一致的。同时,文中列举了前人的研究工作：在石墨纳米带中掺入杂质B原子,计算发现当杂质掺在中心位置时,费米面附近产生新的自旋态,最终导致体系出现自旋极化电流。本文研究了锯齿型石墨纳米带掺入Be原子的电子结构。计算发现,边界杂质原子大大削减了其附近原子的磁性,改变了纳米带的电子结构,在费米面附近形成了局域态,且两种自旋电子分别表现出金属和半导体特性,实现了材料的半金属性。（二）较系统的研究了对称性和掺杂Be原子对石墨纳米带电子输运的影响。计算发现,对称性对锯齿型纳米带的自旋输运起着重要作用,表现为对于非对称型纳米带,体系的伏安特性曲线近似为线性的；对于对称性纳米带,体系的伏安特性不在呈线性的,且在一定偏压范围内,出现了负微分电阻（Negative Differential Resistance）效应。除此之外,本文还研究了纳米带掺杂后,两种自旋电子的透射情况。通过计算散射区的分子自洽哈密顿量（MPSH）能谱,发现两种自旋电子能级不再简并,在外加偏压下纳米带出现自旋极化电流。同时,掺杂也调制了负微分电阻效应,其中一种自旋电子出现负微分电阻现象,而这与分子轨道的局域程度有关。以上结果可能为石墨纳米带在未来自旋纳米器件应用提供理论上的指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 Graphene的制备
• 1.2 Graphene的基本性质
• 1.3 石墨烯纳米带
• 1.3.1 Zigzag型石墨纳米带
• 1.3.2 Armchair型石墨纳米带
• 1.4 本论文的选题意义
• 2 理论部分与计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 多体系统的电子结构
• 2.3 密度泛函理论
• 2.3.1 Hohenberg—Kohn定理
• 2.3.2 Kohn-Sham方程
• 2.3.3 局域密度近似（Local-Density Approximation,LDA）
• 2.3.4 广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation,GGA）
• 2.4 输运理论
• 2.4.1 引言
• 2.4.2 系统模型
• 2.4.3 基于密度泛函的非平衡格林函数电子输运
• 2.5 计算软件—ATK
• 3 掺杂Be原子石墨纳米带的电子结构
• 3.1 引言
• 3.2 完整zigzag型石墨纳米带
• 3.3 掺杂B原子石墨纳米带
• 3.4 边界掺杂Be原子zigzag型纳米带
• 3.5 本章小结
• 4 对称性和掺杂对石墨纳米带自旋相关输运性质的影响
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型和方法
• 4.3 计算结果和讨论
• 4.3.1 半导体特性和I一V特征曲线
• 4.3.2 负微分电阻效应
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间取得的研究成果