石墨烯條帶中的自旋相關(guān)性質(zhì)及其調(diào)控.pdf

1、傳統(tǒng)電子器件的微型化已經(jīng)越來(lái)越接近量子極限，摩爾定律面臨重大挑戰(zhàn)，因此工業(yè)界開(kāi)始關(guān)注新興技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向。自旋電子學(xué)將電子自旋相關(guān)效應(yīng)與傳統(tǒng)的微電子學(xué)相結(jié)合，為下一代全新功能的微電子器件的研發(fā)指明了方向。探索理想的自旋電子學(xué)材料，研究其自旋相關(guān)物理性質(zhì)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)全新功能的自旋器件，成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。
　　鋸齒型石墨烯納米帶(ZGNR)由于具有獨(dú)特的邊緣效應(yīng)，即自旋極化邊緣態(tài)，利用這一磁學(xué)性質(zhì)可以設(shè)計(jì)一些新奇的自旋電子器件，因此備

2、受人們的關(guān)注。我們通過(guò)第一性原理計(jì)算研究了褶皺對(duì)含雙空位缺陷的ZGNR的自旋極化邊緣態(tài)及其電學(xué)性質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著納米帶褶皺幅度的增大，系統(tǒng)經(jīng)歷了反鐵磁→鐵磁→無(wú)磁性的磁性相變。相應(yīng)地，系統(tǒng)的電學(xué)性質(zhì)經(jīng)歷了半導(dǎo)體→金屬→半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。如果將納米帶沉積在處于拉伸狀態(tài)的某種特殊彈性襯底上，通過(guò)緩慢釋放和再度拉伸可以對(duì)褶皺進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)納米帶自旋極化邊緣態(tài)和電學(xué)性質(zhì)的調(diào)控。
　　雖然ZGNR作為自旋電子學(xué)材料有潛在優(yōu)勢(shì)，但是

3、直接利用ZGNR的自旋極化邊緣態(tài)還存在困難。一方面很難制備完美的ZGNR;另一方面這種邊緣磁性容易受缺陷或雜質(zhì)等因素的影響而遭到破壞。因此，如何才能有效實(shí)現(xiàn)石墨烯中電子的自旋極化，并且能夠?qū)ζ渥孕隣顟B(tài)進(jìn)行良好的控制，是一個(gè)非常值得研究的問(wèn)題。考慮到扶手椅型石墨烯納米帶(AGNR)具有豐富的電學(xué)性質(zhì)，且完美的AGNR已經(jīng)可以在實(shí)驗(yàn)上制備，如果能夠使其產(chǎn)生自旋極化，將來(lái)就有可能在自旋電子學(xué)方面得到應(yīng)用。為此，我們利用線(xiàn)性響應(yīng)理論研究了Ras

4、hba自旋-軌道耦合(RSOC)作用下AGNR在外振蕩磁場(chǎng)中的自旋磁化率。結(jié)果表明:通過(guò)改變納米帶寬度，或外場(chǎng)頻率，或RSOC強(qiáng)度，使得滿(mǎn)足共振條件而引起電子在Rashba自旋劈裂子能帶間發(fā)生躍遷，改變系統(tǒng)沿磁場(chǎng)方向的自旋取向分布，這樣就可以實(shí)現(xiàn)AGNR中的電子自旋在室溫下的有效磁化。而且，在這個(gè)過(guò)程中自旋磁化率的大小也可以通過(guò)不同的共振頻率或RSOC進(jìn)行控制。該方案完全不存在電導(dǎo)不匹配問(wèn)題，因此可以有效解決自旋注入效率低下的問(wèn)題。

5、r>　　自旋極化載流子成功注入到石墨烯以后，要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用我們還必須研究自旋輸運(yùn)與調(diào)控問(wèn)題。為此，基于狄拉克理論我們研究了RSOC作用下準(zhǔn)帶狀單層石墨烯中的克萊恩隧穿現(xiàn)象，得到了透射系數(shù)的解析解。在透射系數(shù)的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步推導(dǎo)了自旋相關(guān)電導(dǎo)，研究了透射電子的自旋極化。通過(guò)改變門(mén)壓勢(shì)壘或RSOC強(qiáng)度，我們可以對(duì)自旋輸運(yùn)和透射電子的自旋狀態(tài)進(jìn)行有效的調(diào)控。在此理論基礎(chǔ)上我們提出了一種門(mén)壓可控的多功能自旋器件，既可以用作晶體管，也可以用于自旋

6、過(guò)濾或電子束準(zhǔn)直等。
　　此外，由于石墨烯中的自旋相干時(shí)間較長(zhǎng)，因此其自旋還可以作為理想的固態(tài)量子比特?；谟行ё孕碚?，我們研究了處于溫度為T(mén)的熱庫(kù)下的手性石墨烯納米帶中的量子糾纏與量子失諧，討論了溫度，納米帶寬度，自旋粒子間的相對(duì)位置，以及電子間排斥勢(shì)對(duì)量子關(guān)聯(lián)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在室溫下，較窄的納米帶中最近鄰反鐵耦合的自旋粒子間的量子糾纏幾乎接近于最大糾纏。進(jìn)一步我們利用該熱糾纏態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)糾纏態(tài)的隱形傳輸。從理論上闡明了成功實(shí)現(xiàn)糾