石墨烯低维纳米结构电子自旋极化特性及调控的第一性原理研究

• 作 者: 葛阳
• 机 构: 太原理工大学
• 出 处: 太原理工大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 石墨烯纳米片 边界磁性 第一性原理计算 半金属性

随着信息技术的跨越式发展,集成电路制造技术的不断改进,传统的硅基电子器件成为了后摩尔时期集成电路发展的重大障碍,研究和开发基于新材料、新结构和新工艺的器件已迫在眉睫。自旋电子学是一门近几年结合微电子学、磁学和材料科学提出的具有革命性的交叉学科,其旨在利用电子的自旋属性来实现信息存储、传递和处理等功能,近年来已逐渐成为最活跃的科学前沿。自旋电子器件具有集成度高、运行速度快,低能耗等传统半导体电子器件无法比拟的优势。除了要求能同时操控电子的自旋和电荷属性外,自旋电子器件还要求材料具有较高的电子极化率和较长的电子自旋弛豫时间。由碳原子以杂化轨道组成六角蜂窝状晶格的二维平面薄膜材料-石墨烯,不仅拥有超高的电子迁移率、极高的机械强度以及克莱因隧穿、量子霍尔效应等奇异的物理与化学特性,其电子还可表现出相对较弱的自旋-轨道耦合效应,其较长的自旋弛豫时间和室温自旋扩散长度,使得其在新兴的自旋电子器件领域有着巨大的应用潜力。然而,碳原子不含f和d电子,石墨烯的本征非磁性使其缺少了有序的自旋磁矩,这就大大限制了其在自旋电子器件中的应用。因此,如何在石墨烯材料中引入磁性特别是长程铁磁性,对将石墨烯材料应用到自旋电子器件中有着重要的意义。与二维石墨烯材料相比,低维石墨烯纳米结构可以暴露出大量的边界原子。由于边界碳原子与内部碳原子的键合特性不同,低维石墨烯纳米结构能够表现出不同于块状石墨烯的电子结构和磁学特性。为了解决石墨烯的本征非磁性问题,在石墨烯材料中引入量子限域效应被认为是诱导石墨烯电子产生自旋极化效应的一种有效手段。由于石墨烯非零磁矩的出现十分依赖于其几何拓扑结构,因此,本论文以各种形状下锯齿形边界零维石墨烯纳米片为研究对象,以探索零维石墨烯纳米片的电子结构与本征电子自旋性质为切入点,依据量子尺寸效应和边界效应,采用第一性原理进行仿真计算。通过几何构型、外加电场、片段掺杂、双层转角效应等策略来实现诱导和调制零维石墨烯纳米片材料的电子自旋极化特性。全文主要研究内容和主要结论如下:（1）采用第一性原理系统地研究了各种形状及尺寸的锯齿形边界零维石墨烯纳米片的基态电子结构和磁学性质。研究结果发现锯齿形边界的矩形、菱形、领结形零维石墨烯纳米片的基态磁序分布均为反铁磁耦合磁序;三角形石墨烯纳米片的基态磁序分布为铁磁性耦合磁序;领结形结构基态磁序分布为反铁磁性耦合磁序。此外,所有几何构型下的零维石墨烯纳米片两种不同自旋的电子均呈现简并状态,电子没有产生自旋极化效应。此外,本文还设计出了一种基于领结形零维石墨烯纳米片单元的“全石墨烯”自旋电子器件。该自旋电子器件可以实现数字电路中的逻辑门功能操作。（2）根据零维石墨烯纳米片可以产生电子自旋特性的仿真基础上,系统地研究了电场效应对单层锯齿形边界零维石墨烯纳米片电子自旋极化性质的调控影响。研究结果显示,随着电场强度的增加,零维石墨烯纳米片仍可保持被继续诱导出的良好的电子自旋性质的特征,但此时电子分布的对称性被打破,不同自旋取向的电子不再简并。在一定的临界电场强度下,体系可产生电子的自旋极化效应,即体系被电场效应调制为了半金属性。这种半金属性使得电场调控电子自旋极化效应成为可能,为将此材料应用到自旋电子器件提供了理论依据。（3）在零维石墨烯纳米片产生电子自旋特性的仿真基础上,继续探索双层石墨烯纳米片的电子结构和磁性特征,并研究了电场效应、层间转角效应对双层石墨烯电子自旋特性的调控影响。计算结果表明,在外加垂直电场作用下,双层石墨烯电子分布的对称性被打破,不同自旋取向的电子不再简并,原来简并的自旋带隙出现了分裂。在一定的临界电场强度下,可产生电子的自旋极化效应,即双层石墨烯纳米片在外加垂直电场调节下,也可被调节为半金属,且临界电场强度的大小和双层石墨烯纳米片的尺寸相关。最后,双层石墨烯纳米片间转角效应也被证明为可调控石墨烯电子自旋极化性质的方式之一。（4）最后,从实验的分析角度,系统地研究了氮化硼掺杂零维石墨烯纳米片并形成石墨烯-氮化硼平面异质结对体系电子自旋极化特性的调制作用的可行性。研究结果表明,石墨烯-氮化硼平面异质结可以打破原零维石墨烯纳米片电子自旋简并的状态。特别的,当氮化硼与石墨烯片段原子数相当时,自旋劈裂达到最大,即此时体系的反铁磁性耦合强度最强。特别的,石墨烯纳米片嵌入到氮化硼材料中,仍然可实现石墨烯电子的自旋特性,此外,锯齿形边界的不稳定性也可通过石墨烯-氮化硼边界来得到极大的改善。