论文部分内容阅读
热激发自旋电子学是一门研究热与自旋相互关系的新型电子学，并已成为凝聚态物理一个热门的研究方向。近些年来，低维材料的快速发展为未来新器件材料的选择提供了方向。硅烯和石墨烯，由于它们本身独有的电子特性，以及优异的物理和化学性能而受到了广泛的关注。本论文基于硅烯和石墨烯两种材料，将其构造成具有自旋半导体特性的纳米带，并将其设计为热自旋电子学器件。采用了基于第一性原理的密度泛函理论和非平衡态格林函数理论相结合的方法，对以上器件的热自旋输运性质进行研究。主要内容如下： （1）我们设计了一种不规则的类锯齿型的硅烯纳米带（Sawtooth-like Silicene Nanoribbons,ST SiNRs），对纳米带边缘加氢钝化后，发现其自旋向上和自旋向下的能带在费米面处都存在能隙，表现出自旋半导体特性。随后，在基于ST SiNRs构成的同质结器件中，我们研究了相关的热自旋电流输运性质。该器件是左右电极都用两个半无限长、双边都加一个氢原子钝化的ST SiNRs形成的同质结。计算结果表明，当我们在左右电极施加温度梯度时，由于ST SiNRs特殊的能带结构，热激发载流子可能会产生纯净的自旋流，特别是自旋方向不同的电子产生的自旋流数值几乎相等，得到了完美的自旋塞贝克效应。并且对于总自旋流而言，表现出自旋塞贝克二极管效应。另外，我们计算了不同宽度的纳米带构成的器件的热电输运性质。通过计算发现，偶数宽度的纳米带由于自旋向上电流和自旋向下电流曲线较为对称，更有利于自旋塞贝克效应和自旋塞贝克二极管效应的产生，并且在总的电荷流中发现了负微分电阻效应。相比较而言，奇数宽度的ST SiNRs在温度梯度的作用下，仍然有二极管效应，能够同时产生自旋流和电荷流。同时我们还研究了另一种不规则的类似于“T”字形的硅烯纳米带（TSiNRs）结构的热自旋输运性质，在这种结构中我们同样发现了自旋塞贝克效应及自旋塞贝克二极管效应，但在TSiNRs中，这些效应的出现与纳米带宽度的奇偶没有明显关系。这些发现可以推广到其他的自旋半导体材料中，并且为热激发自旋电子学器件以及材料的设计拓宽了思路。 （2）我们研究了一种新型的锯齿型石墨烯纳米带（Zigzag Graphene Nanoribbons,ZGNRs），该纳米带结构由两条最窄GNRs通过碳四元环在恰当的位置连接起来，其Zigzag方向上的宽度为5个碳原子，形成新型锯齿型石墨烯纳米带(5,5)-ZGNRs。我们将其边缘碳原子都用一个氢原子钝化，形成左右电极都为半无限长的氢原子钝化的(5,5)-ZGNRs同质结。我们同样对该同质结器件进行了热自旋输运性质的研究。结果表明，这种石墨烯纳米带基态为反铁磁态，并呈现出自旋半导体的特性。在温度的诱导下，该器件中产生了往相反方向流动的自旋向上和自旋向下的电流，出现了自旋塞贝克效应。此外，我们通过加门压的方法来调控自旋流可以产生热自旋过滤效应以及完美的自旋塞贝克效应。基于这种结构的器件，其潜在的应用价值将对未来新型电子器件的改进带来巨大的作用。