石墨烯中的電子及其輸運(yùn)性質(zhì)的研究.pdf

1、石墨烯是一種新型的二維碳材料,自從2004年被實(shí)驗(yàn)制造出來之后,很快就引起了世人的關(guān)注,主要在于石墨烯中電子在費(fèi)米面處的行為類似于狄拉克電子。它獨(dú)特的電子行為展現(xiàn)出許多不同尋常的量子效應(yīng),例如克萊因佯謬、反常量子霍爾效應(yīng)、最小電導(dǎo)率,等等。室溫下載子具有很高的帶邊遷移率,很有可能取代硅晶材料從而引起一場(chǎng)信息通訊技術(shù)革命。因此對(duì)石墨烯材料的研究具有很高的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文利用超胞理論、狄拉克方程和轉(zhuǎn)移矩陣以及散射理論對(duì)石墨烯中電子以

2、及輸運(yùn)性質(zhì)做了比較系統(tǒng)的研究,在對(duì)納米電子器件,電子波導(dǎo)纖維有一定的理論和應(yīng)用價(jià)值。本論文研究?jī)?nèi)容分為以下五個(gè)部分:
　　(1)第一個(gè)部分為緒論部分,主要介紹了碳材料的發(fā)展過程,石墨烯的產(chǎn)生背景和制備方法,介紹了目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用價(jià)值。
　　(2)我們?cè)敿?xì)的介紹了石墨烯中電子的性質(zhì),介紹了石墨烯中異常的量子效應(yīng)。
　　(3)通過緊束縛近似建立Harper’s方程和狄拉克方程去研究石墨烯納米條帶中電子的性質(zhì),發(fā)現(xiàn)

3、石墨烯條帶中電子的性質(zhì)與石墨烯尺寸大小有很大的關(guān)聯(lián),不同尺寸的石墨烯條帶展現(xiàn)出不同的量子尺寸效應(yīng)。對(duì)于鋸齒形的石墨烯條帶而言由于帶邊邊界限制會(huì)出現(xiàn)一個(gè)平的表面金屬態(tài)。對(duì)于扶手型而言,改變帶寬的大小可以使石墨烯條帶發(fā)生金屬-絕緣體相變。在磁場(chǎng)條件下,磁場(chǎng)能夠引起位相因子的改變,在磁場(chǎng)不大的情況下,平的朗道能級(jí)可以出現(xiàn),當(dāng)磁場(chǎng)很大時(shí)可以展現(xiàn)出一系列的余弦?guī)怠?br>　　(4)討論了石墨烯中一個(gè)異常的效應(yīng)—最小電導(dǎo)率。通過狄拉克方程去研究扶

4、手型石墨烯條帶中電子的輸運(yùn)性質(zhì)。石墨烯的電導(dǎo)系數(shù)可以受到門電壓、偏置電壓和磁場(chǎng)的影響。在電極層高度摻雜的時(shí)候,改變門電壓可以控制石墨烯帶的電導(dǎo)率,發(fā)現(xiàn)即使是很小的偏置,石墨烯條帶電導(dǎo)率并不為零,存在一個(gè)最小值,并且這個(gè)最小值與一個(gè)最大的電子噪聲相聯(lián)系。對(duì)于磁場(chǎng)調(diào)控而言,磁場(chǎng)影響是非常明顯的,磁場(chǎng)能夠極大的抑制電子噪聲。改變磁場(chǎng)電導(dǎo)可以出現(xiàn)一個(gè)周期性的振蕩。對(duì)于彈道區(qū)域磁場(chǎng)效應(yīng)可以忽略,此時(shí)彈道電子輸運(yùn)可以得到一個(gè)最小的電導(dǎo)率,主要是由衰

5、減波貢獻(xiàn)。對(duì)于彈道電子輸運(yùn)而言,隨著偏置電壓(等效門電壓)的增大,量子振蕩的消失。通過門電壓控制石墨烯中的電子,電導(dǎo)系數(shù)會(huì)出現(xiàn)量子振蕩效應(yīng),這個(gè)效應(yīng)很有可能與費(fèi)米面處局域的量子態(tài)有關(guān)。
　　(5)主要研究通過速度壘來調(diào)節(jié)控制石墨烯中電子的輸運(yùn)。石墨烯中的電子通過速度壘類似于光子通過不同的媒介質(zhì),狄拉克電子由費(fèi)米速度大的一邊通過費(fèi)米速度小的一邊時(shí)可以類比光子由光疏媒介通過光密媒質(zhì)。設(shè)計(jì)一種方式去構(gòu)建異質(zhì)結(jié)中的二維狄拉克電子氣,計(jì)算了

6、依賴于角度的透射系數(shù)并研究和討論了共振隧道效應(yīng),發(fā)現(xiàn)受限態(tài)的存在能夠關(guān)閉彈道通道從而引起共振隧道峰減小。還討論了在磁場(chǎng)調(diào)節(jié)下狄拉克電子穿過一個(gè)速度壘異質(zhì)結(jié)模型,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很強(qiáng)的波矢過濾性質(zhì)和共振效應(yīng)。共振隧道依賴于入射粒子的角度受到磁場(chǎng)和速度壘的極強(qiáng)壓制,基于這些新的現(xiàn)象,很有可能為將來的電子器件,例如:濾波器,磁控開關(guān)等等,提供理論依據(jù)。最后討論了石墨烯中的波導(dǎo)模,通過利用一個(gè)速度阱去限制狄拉克電子處在阱內(nèi),狄拉克電子可以在阱內(nèi)做來來