硅团簇自旋电子器件的理论研究

利用过渡金属掺杂的硅基团簇, 构建了一种自旋分子结; 并利用第一性原理方法, 对其电子自旋极化输运性质进行了研究. 计算表明, 通过过渡金属掺杂可以有效地产生自旋极化电流, 磁性金属Fe和非磁性金属Cr和Mn掺杂的体系呈现出较明显的自旋极化透射现象, 但分子结的自旋极化输运能力与团簇孤立状态下的磁矩无一致性.从Sc到Ni的掺杂, 体系的自旋极化透射能力先增大后迅速减小, 在Fe掺杂的Si₁₂团簇中出现最大值. 关键词： 硅团簇 自旋极化输运 密度泛函理论 非平衡格林函数     

过渡金属原子X(X=Mn,Tc,Re)掺杂二维WS2第一性原理研究

二维材料由于具有独特的电子结构和量子效应、丰富的可调控特性而受到凝聚态物理和材料科学的广泛关注,其中通过过渡金属掺杂二维WS2形成的半金属铁磁性材料在自旋电子学领域中发挥着重要的作用.采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法计算了过渡金属原子X (X=Mn, Tc, Re)掺杂二维WS~2的电子结构、磁性和光学性质.研究表明:被过渡金属原子X掺杂的WS~2体系在S-rich条件下比在W-rich条件下更稳定.在Mn掺杂后,自旋向上通道中出现杂质能级,导致WS~2体系从自旋向上和自旋向下态密度完全对称的非磁性半导体转变为磁矩1.001μB的铁磁性半金属.在Tc, Re掺杂后,体系均转变为非磁性N型半导体.所有掺杂体系杂质态均发生自旋劈裂现象,且自旋劈裂程度逐渐减小.同时发现Mn, Tc, Re掺杂后,表现出优异的光学性质,它们的介电常数和折射系数与未掺杂WS~2的体系相比明显增强,吸收系数在低能量区域(0—2.0 eV)均出现红移现象.     

管长和管径对单壁碳纳米管电导的影响

基于紧束缚模型，发展转移矩阵方法研究了单壁碳纳米管的导电性质.研究表明，由于卷曲效应，锯齿型(3k,0)管(k为整数)出现窄的电导沟，其大小与能隙一致.在费米能附近，电子输运不仅与管径和管长紧密相关，而且电子在不同能量下可能出现弹道的、扩散的和经典的三种不同输运特征. 关键词： 碳纳米管 转移矩阵 电导     

低偏压下单层碳纳米管的输运特征

系统地计算了各种手性碳纳米管最低导带的电子速度和有效质量的变化规律,在此基础上推断手性碳纳米管低偏压下的输运特征,计算表明:在低偏压电子输运时,同一系列(手性角相同)的各种手性金属碳纳米管的输运性质相同,与管径无关,但不同系列的手性金属碳纳米管的输运性质有明显区别;而同一系列的各种手性半导体型碳纳米管的输运性质有一定差异,但不同系列的手性半导体型碳纳米管的输运性质有着显著差异.这一结果说明:碳纳米管在低偏压下的输运特征与系列有着密切的关系,手性角是决定各种碳纳米管在低偏压下具有不同输运性质的最关键的几何参 关键词： 碳纳米管 手性角 电子速度 有效质量     

自旋轨道耦合Su-Schrieffer-Heeger原子链系统的电子输运特性

在Su-Schrieffer-Heeger (SSH)原子链中,电子在胞内和胞间的跳跃依赖于其自旋时,即SSH原子链存在自旋轨道耦合作用时,存在不同缠绕数的非平庸拓扑边缘态.如何探测自旋轨道耦合SSH原子链不同缠绕数的边缘态是一个重要问题.本文在紧束缚近似下研究了自旋轨道耦合SSH原子链的非平庸拓扑边缘态性质及其零能附近的电子输运特性.研究发现四重和二重简并边缘态的缠绕数分别为2和1;并且仅当源极入射电子的自旋被极化(铁磁电极)时,自旋轨道耦合SSH原子链在零能附近的电子输运特性才能反映其边缘态的能谱特性.尤其是,随着自旋轨道耦合SSH原子链与左、右导线之间的耦合强度由弱到强改变,对于缠绕数为2的四重简并边缘态,入射电子在零能附近的透射峰数目将从4个变为0;而对于缠绕数为1的二重简并边缘态情形,其透射峰数目将从2个变为0.因此,在源极为铁磁电极的情形下,通过观察自旋轨道耦合SSH原子链在零能附近电子共振透射峰的数目随着其与左、右导线之间耦合强度的变化,来探测其不同缠绕数的边缘态.上述结果为基于电子输运特性探测自旋轨道耦合SSH原子链不同拓扑性质的边缘态提供了一种可选择的理论方案.     

3d过渡金属Co掺杂核壳结构硅纳米线的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了横截面为五边形和六边形的核壳结构硅纳米线的过渡金属Co原子替代掺杂.通过比较形成能发现,核心位置掺杂、壳层单链掺杂以及外壳层全替代掺杂的硅纳米线都具有稳定性,其中核心位置掺杂结构的稳定性最高.掺杂体系均呈现金属性,随着掺杂浓度的增加,电导通道数增加.Co原子掺杂的硅纳米线呈现铁磁性,具有磁矩.Bader电荷分析表明,电荷从Si原子转移至过渡金属Co原子.与自由态时过渡金属Co原子的磁矩相比,体系中Co原子的磁矩有所降低,这主要是由Co原子4s轨道向3d/4p轨道的电荷转移以及4s,3d,4p的上自旋电子转移至下自旋导致的.     

过渡金属离子掺杂对La1.2Ca1.8Mn2O7输运性质的影响

研究了过渡金属元素掺杂对层状钙钛矿结构锰氧化物La1.2Ca1.8Mn2O7体系输运性质的影响.实验结果表明不同过渡金属离子掺杂均导致体系的金属-绝缘转变温度降低,电阻率与最大磁电阻值(Cr除外)增加.当掺杂量较高时,磁性Cr、Fe、Co、Ni离子对体系性质的影响与其磁性相互作用密切相关.     

嵌入锂原子的zigzag型单壁碳纳米管的电子传导特性

运用基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）的非平衡格林函数（NEGF）方法对Li原子嵌入后的zigzag型单壁碳纳米管(SWCNT)的电子输运性质进行了研究.在构建和优化了Li原子嵌入的zigzag型单壁碳纳米管的电子输运模型后,研究了该系统的电子传输概率、能态密度、电子透射谱,还研究了电子能量和偏置电压设置与变化对其电子输运特性的影响.结果显示zigzag型单壁碳纳米管嵌入Li原子后,电子输运特性发生了较大变化,具有电子输运拓宽效应和量子台阶复苏效应. 关键词： Li原子 碳纳米管 电子输运 拓宽效应     

功能化扶手椅型石墨烯纳米带异质结的磁器件特性

石墨烯在未来纳米电子器件领域具有广泛的应用前景, 但是基于扶手椅型石墨烯纳米带(AGNR)的磁输运性质的研究还比较少. 本文理论上提出AGNR边缘桥接过渡金属Mn原子, 再用双F 原子(或双H原子)饱和形成特殊化学修饰的纳米带(AGNR-Mn-F₂或AGNR-Mn-H₂), 并运用基于第一性原理和非平衡态格林函数相结合的方法对其磁输运性质进行理论计算. 结果表明: 这两种纳米带所构成的异质结(F₂-AGNR-Mn-H₂)具有优良的磁器件特性, 即在很宽的偏压范围内, 能实现100%的自旋极化, 且在P(在左右电极垂直加上相同方向的磁场)和AP构型(在左右电极垂直加上相反方向的磁场)时, 分别具有单自旋和双自旋过滤效应; 同时发现, 这种异质结也具有双自旋二极管效应, 它的最大整流比可达到10⁸. 此外, 改变开关磁场的方向, 即从一种磁构型变换为另一种磁构型时, 能产生明显的自旋阀效应, 其巨磁阻高达10⁸%. 这意味着这种特殊的异质结能同时实现优良的自旋过滤、双自旋二极管及巨磁阻效应, 这对于发展自旋磁器件有重要意义.     

非金属N和过渡金属(Mo, Ru, Rh, Pd)掺杂SnO2磁性的第一性原理研究

本文基于第一性原理方法,对非金属元素(N)与过渡金属元素(Mo, Ru, Rh, Pd)掺杂SnO₂的电子结构和磁学性质进行计算分析.结果表明：形成能与过渡金属原子半径密切相关,随着过渡金属原子半径的增加,形成能在降低,其中N-Mo掺杂体系形成能最低,故该体系最容易掺杂形成;能带结构分析表明,由于掺杂体系自旋向上/向下杂质能级的数量和分布均不对称,掺杂体系均有磁性产生;进一步探究态密度可知,体系产生磁性的原因是过渡金属原子和N原子之间产生p-d轨道杂化,最外层电子轨道上的空位及单电子相互耦合所导致.结果表明,由于掺杂原子的引入,SnO₂体系产生磁性,并且掺杂体系呈现亚铁磁性,其中N-Rh掺杂体系的磁性最好,其磁矩为1.88μB,有望成为良好的稀磁半导体材料.     

表面吸附对单层黑磷砷结构、电子性质和磁性调控的第一性原理研究

基于第一性原理,系统研究了11种不同原子吸附在单层AsP上的几何结构、吸附能、磁矩和电子结构性质. 使用的吸附原子包括轻质非金属(C、N、O)原子,第三周期金属原子(Na、Mg、Al)和过渡金属原子(Ti、V、Cr、Mn和Fe). 研究结果表明,吸附原子引起了AsP多样的结构、磁性和电子性质改变. AsP与所研究的吸附原子都能紧密结合,并且所有系统的吸附能都比吸附原子在石墨烯、SiC、BN以及MoS₂上的吸附能强得多. AsP的半导体特性受到吸附原子的影响,其可以诱导产生中间能隙态或引起n型掺杂. 此外,表面吸附产生了不同的自旋电子特性,具体而言,吸附N、Ti和Fe的AsP成为双极半导体;Mn修饰的AsP成为双极自旋无间隙半导体.     

表面吸附对单层黑磷砷结构、电子性质和磁性调控的第一性原理研究（英文）

基于第一性原理,系统研究了11种不同原子吸附在单层AsP上的儿何结构、吸附能、磁矩和电子结构性质.使用的吸附原子包括轻质非金属(C、N、O)原子,第三周期金属原子(Na、Mg、Al)和过渡金属原子(Ti、V、Cr、Mn和Fe).研究结果表明,吸附原子引起了AsP多样的结构、磁性和电子性质改变.AsP与所研究的吸附原子都能紧密结合,并且所有系统的吸附能都比吸附原子在石墨烯、SiC、BN以及MoS_2上的吸附能强得多.AsP的半导体特性受到吸附原子的影响,其可以诱导产生中间能隙态或引起n型掺杂.此外,表面吸附产生了不同的自旋电子特性,具体而言,吸附N、Ti和Fe的AsP成为双极半导体;Mn修饰的AsP成为双极自旋无间隙半导体.     

过渡金属 X（ X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re ）掺杂Janus Ga2SSe 的第一性原理研究

利用密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,研究过渡金属X(X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re)原子掺杂Janus Ga₂SSe的磁性、电子性质及光学性质.研究表明：过渡金属掺杂Janus Ga₂SSe体系在Chalcogen-rich条件下有着比Ga-rich条件下更好的稳定性.其中Mn掺杂体系形成能在两种条件下皆为最低.本征Ga₂SSe是具有2.02 eV带隙的间接带隙半导体,在紫外区域有着很好的光伏吸收能力.与本征Ga₂SSe相比,Cr掺杂体系自旋向上通道出现杂质能级,自旋向上与向下通道不对称,呈磁矩为2.797μ_B铁磁性半金属. Mn掺杂体系在其自旋向上通道产生的杂质能级,呈磁矩为3.645μ_B的磁性P型半导体. Fe掺杂体系自旋向下通道产生的杂质能级,呈磁矩为3.748μ_B磁性P型半导体.在Tc与Re掺杂后,带隙皆由间接变直接带隙,呈无磁性的P型半导体.从光学性质来看,各掺杂体系与未掺杂Ga₂SSe在介电...     

开口悬挂端对单壁碳纳米管电子输运特性的影响

采用紧束缚模型研究了悬挂端对单壁碳纳米管电子输运特性的影响.结果表明：有限长悬挂端开口碳纳米管的电导在费米能级附近作周期性振荡.椅型(armchair)碳纳米管的振荡同时具有快、慢两个准周期，而锯齿型(zigzag)碳纳米管的振荡仅有一个周期；碳纳米管电导在费米能级附近的振荡周期随着悬挂端的增长而减小.研究还发现：有限长悬挂端开口碳纳米管的平均电导随探针与碳纳米管间耦合强度的增加而增大，其大小约为无限长悬挂端开口碳纳米管平均电导的两倍. 关键词： 输运特性 碳纳米管 紧束缚模型     

氮掺杂手性碳纳米管的电子结构和输运特性的理论研究

运用第一性原理的密度泛函理论,结合非平衡格林函数,研究了氮原子取代掺杂手性单壁(6,3)碳纳米管的电子结构和输运特性.计算结果表明:不同构形和不同数目的氮原子取代掺杂对手性碳管的输运性质有很复杂的影响.研究发现,氮原子掺杂明显改变了碳管的电子结构,使金属型手性碳管的输运性能降低,电流-电压曲线呈非线性变化,而且输运性能随着杂质原子间间距的变化而发生显著改变.在一定条件下,金属型碳管向半导体型转变. 关键词： 手性单壁碳纳米管 氮掺杂 电子结构 输运性能     

5d过渡金属原子掺杂六方氮化铝单层的磁性及自旋轨道耦合效应:可能存在的二维长程磁有序

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了5d过渡金属原子(Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au和Hg)取代六方氮化铝单层中的Al原子的几何结构、电子结构、磁性性质、铁磁态与反铁磁态能量差(EFM-EAFM)以及自旋轨道耦合效应导致的磁各向异性.研究发现Hg掺杂的体系中,5d金属原子和最邻近的N原子的键长最大,平均值为2.093?,之后依次是Au,Hf,Pt,Ta和Ir.态密度结果显示掺杂体系的禁带中出现明显的杂质能级,给出了掺杂体系的总磁矩以及自旋密度的分布.对于EFM-EAFM,Hf,Re,Pt和Au四种原子的掺杂在4×8超胞中到达最大值,分别为-187.2563,286.2320,-48.0637和-61.7889 meV.磁各向异性结果中,Re掺杂的磁各向异性最大,达到11.622 meV.结合以上结果,我们预测5d过渡金属原子掺杂六方氮化铝单层可能存在二维长程磁有序.     

量子点接触中有关电导0.7结构的研究

研究了由鞍形势描述的量子点接触中的电子输运性质,利用Hartree-Fock近似与低维纳米器件中Thomas-Fermi近似方法处理了电子-电子之间的相互作用,采用格点格林函数方法计算了零温下体系的电导、电子的自旋积累以及散粒噪声,重现了0.7结构这个反常的实验现象.计算结果加深了我们关于半导体纳米器件中的强关联互作用对自旋输运影响的理解.     

半导体超晶格系统中的磁电调控电子自旋输运研究

通过采用转移矩阵方法求解自旋电子隧穿过程,理论研究了半导体超晶格系统中电子自旋输运的磁电调控行为.结果表明：仅对超晶格系统施以磁调制,隧穿系数将出现自旋分裂,随磁场增强,电导自旋极化率变大且展宽于费米能区;若选取不变磁场情况,同时施以间隔周期电场调制,超晶格的电子极化率将有更为显著地提高.进一步发现,随电场强度的改变,电子自旋输运行为显然存在两个明显不同区域,下自旋电子将在不同调制区域表现为不同的变化趋势.然而,若对周期磁超晶格施加间隔两周期的电调制,自旋电导输运的临界行为消失,电导极化率在高能区的共振峰 关键词： 半导体超晶格 自旋输运 磁电调控     

含stubs量子波导系统的电子自旋极化输运性质

理论上研究了含stubs的Rashba自旋轨道耦合（spin-orbit coupling, SOC）量子波导系统的自旋极化输运性质. 利用晶格格林函数方法,发现由于stubs和SOC产生的势阱使系统中出现束缚态,这些束缚态与传播态之间相互干涉导致电导中出现Fano共振结构,同时在对应的自旋极化率中也出现Fano共振或反共振结构. 此外,由于系统结构的突变使电子被反向散射和量子干涉效应,电导中出现一系列的共振峰. 但是,当系统加上外磁场后,所有这些效应都被抑制, 系统重新出现量子化电导, 同时自旋电导也出 关键词： 量子波导 自旋极化输运 自旋轨道耦合     

基于赫斯勒合金Co_2MnSi电极的磁性隧道结呈现巨磁阻效应（英文）

本文基于电子密度泛函理论计算和非平衡态格林函数技术研究了具有三明治结构的磁性隧道结构(非极化SrTiO_3薄层被夹在两个赫斯勒合金Co_2 MnSi电极之间)的自旋极化输运特性.理论计算结果清楚地表明磁平行组态的磁性隧道结呈现出几乎完美的自旋过滤效应.磁反平行组态的隧穿系数比磁平行组态的隧穿系数小几个数量级,导致体系的磁阻比高达10~6.电子结构计算分析表明该磁性隧道结的巨磁阻效应源自赫斯勒合金Co_2MnSi电极内在的半金属性、以及阻挡层和电极之间界面处过渡金属原子3d电子的显著自旋极化.