不对称石墨烯纳米带的热自旋输运性质研究

采用非平衡态格林函数方法结合密度泛函理论的第一性原理,研究了非对称结构石墨烯纳米带的热自旋输运性质.发现在源极,漏极之间施加温度场,在带宽N=4,6,8,10,12的石墨烯纳米带中可以获得方向相反、大小几乎相同的不同自旋极化取向电流,即体系中存在自旋赛贝克效应.对比不同宽度纳米带运输性质,发现带宽对自旋赛贝克效应具有调制作用,即随着带宽N增大,热激发自旋流增大,自旋赛贝克效应增强,而热激发净电流从正向变为负向.此外,当纳米带带宽为4,6,8和12时,体系中还同时存在热负微分电阻效应,这些发现对制备低能耗的热自旋电子学器件具有指导意义.     

SiN-SiC纳米薄膜自旋相关的塞贝克效应研究

热自旋电子学结合了自旋电子学和热电子学各自优势,对人类可持续发展具有十分重要的作用.本文提出了一种基于SiN-SiC纳米薄膜的新型热自旋电子学器件.发现在源极和漏极之间施加温度场,可以获得方向相反、大小几乎相同的具有自旋极化取向的电流,即为自旋相关塞贝克效应.而且,在热电荷流中还存在着热负微分电阻效应.这些发现为设计基于SiN-SiC纳米薄膜的高效率热自旋电子学器件提供了理论指导.     

基于第一性原理的Gd掺杂ZnO电子结构与吸收光谱研究

采用密度泛函理论下的平面波赝势方法,建立了未掺杂ZnO和两种Gd掺杂浓度的ZnO模型.结构优化后,对各个模型的电子结构、态密度及吸收光谱进行了计算,其中Gd掺杂模型分别采用电子自旋极化与电子非自旋极化两种处理方式.结果表明:电子非自旋极化条件下,Gd掺杂在ZnO禁带中引入杂质能级,ZnO带隙变宽,导致相应的吸收光谱发生蓝移;考虑电子自旋极化时,Gd掺杂后的体系具有铁磁性,自旋电子在无序磁畴贡献的局部磁场内发生自旋能级分裂,使得带隙变窄,相应吸收光谱发生红移.     

MnGa合金体的电子结构与磁性质的研究

基于密度泛函理论方法系统研究了四方结构MnGa合金体的结构、形成、电子结构和磁性质。结果表明,四方MnGa合金晶胞的生成焓为-4.85 eV,高于一些不含d电子的体系。其呈现导体的能带结构,其中d电子主要形成深能级价带,定域性最强。四方MnGa合金存在着明显的自旋极化,靠近费米能级两侧的s电子和靠近费米能级下方的p电子具有较弱的自旋极化。形成浅能级价带和导带的d电子产生高强度的自旋极化,对磁性质贡献较大。Mn的s电子和Mn的p电子自旋极化作用较弱,Mn的d电子形成浅能级价带和导带,自旋极化作用最强。形成深能级价带的Ga的d电子自旋极化作用较弱,不同位置的Ga原子的自旋极化不同。四方MnGa合金体具有净有效磁矩,呈弱的亚铁磁性。     

完全Heusler合金Cr2ZrSb/Sc2FeSn(100)异质结的结构、电磁特性及电子性质

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统研究了完全Heusler合金Cr₂ZrSb/Sc₂FeSn(100)异质结中六种界面CrCr-ScFe-T、ZrSb-ScSn-T、CrCr-ScSn-B、ZrSb-ScFe-B、CrCr-ScFe-V和 ZrSb-ScSn-V的电磁特性及电子性质。结果表明,界面原子间的相互作用造成了界面间原子层的不均匀,导致界面层的力学失配率加大。与块体中的高自旋极化率相比,异质结的自旋极化率遭到不同程度的破坏。但是,ZrSb-ScFe-B界面保留了较高的自旋极化率值,通过Julliere模型预测该异质结在低温下隧道磁电阻值约为429.29%,在自旋电子学器件中具有潜在的应用前景。     

六方Fe2Ge合金块体及其(001)表面电子结构和磁性的第一性原理

采用基于密度泛函理论第一性原理的赝势平面波方法,计算了块体Fe₂Ge及其(001)表面的电子结构和磁性。考虑了两种类型的终端(001)表面:Ge(Ⅰ)-(001)表面和Ge(Ⅱ)-(001)表面。电子结构方面,不同类型的Fe₂Ge(001)表面都表现出金属特性,这与块体的金属性保持一致。通过计算它们的自旋极化率,得出Ge(Ⅰ)-(001)表面的自旋极化程度最高。磁性方面,在块体和Ge(Ⅱ)-(001)表面的Ge原子是铁磁自旋有序的,而在Ge(Ⅰ)-(001)表面第一层的Ge原子是亚铁磁自旋有序的。此外,Ge(Ⅱ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩优于块体中和Ge(Ⅰ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩。这些结果与Fe的d态和Ge的p态电子的杂化有关,本文中通过分析它们的态密度进行了讨论。     

单层MXene纳米片Ti2N电磁特性的过渡金属(Sc、V、Zr)掺杂效应

二维材料MXene纳米片由于具有较大的比表面积和较高的电子迁移率而受到广泛的关注。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,对单层MXene纳米片Ti₂N电磁特性的过渡金属(Sc、V、Zr)掺杂效应进行了系统研究。结果表明,所有过渡金属掺杂体系结合能均为负值,结构均稳定;其中Ti₂N-Sc体系的形成能为-2.242 eV,结构更易形成,且保持稳定;掺杂后Ti₂N-Sc、Ti₂N-Zr体系磁矩增大;此外,Ti₂N-Sc体系中保留了较高的自旋极化率,达到84.9%,可预测该体系在自旋电子学中具有潜在的应用价值。     

B掺杂BaTiO3的电子结构和磁性的第一性原理研究

利用基于第一性原理的自旋极化密度泛函理论计算了B掺杂BaTiO3的稳定性、电子结构和磁学性质.结果表明B掺杂BaTiO3体系稳定,并表现为铁磁性.B替位掺杂BaTiO3体系的磁性机制可归结为部分B2p电子的自旋极化和B2p/O2p与Ti3d电子的p-d耦合作用,B间隙掺杂BaTiO3体系中磁性源于未配对Ti3d电子的自旋极化.     

Li原子掺杂C28单分子器件的热自旋输运性质

利用第一性原理对Li原子掺杂C₂₈的分子器件的热自旋输运性质进行了计算。在不同的温度场下,上下自旋分别为Li原子掺杂C₂₈的分子器件中的空穴和电子提供了输运通道,在MJ₁和MJ₃分子器件中,热自旋电流随着温度增加而增大,但在MJ₂分子器件中,热自旋电流先增大再减小。三种分子器件都出现了自旋塞贝克效应,MJ₂还出现了负微分电阻现象,利用费米-狄拉克分布和自旋输运谱对其物理机理进行了解释。根据Li掺杂C₂₈的单分子器件的热自旋输运性质,可设计新的自旋纳米器件。     

反应磁控溅射氧化镍薄膜的自旋塞贝克效应

自旋塞贝克效应是由(亚)铁磁体中的温度梯度引起自旋塞贝克电压信号的现象,目前已成为热自旋电子学研究的热点领域之一。本文采用反应磁控溅射工艺在Si衬底上沉积NiO薄膜,分别研究了溅射功率、氧氩比例、溅射气压、衬底温度对NiO薄膜微观结构和表面形貌的影响,实验中反应磁控溅射最适工艺条件为溅射功率110 W、氧氩比例0.15(O₂ 15 mL/min; Ar 100 mL/min)、溅射气压0.3 Pa、衬底温度400 ℃。研究了Si/NiO/Pt结构中温度梯度(温差)、磁场角度、NiO厚度变化和Pt厚度变化对自旋塞贝克电压的影响。结果表明,自旋塞贝克电压与温差呈简单的线性关系,温差越大测得的自旋塞贝克电压越高;磁场角度与自旋塞贝克电压之间满足余弦函数关系式,即在0°和180°时所得自旋塞贝克电压最大,90°和270°时为零;反铁磁性绝缘层NiO的厚度越大,所测得的自旋塞贝克电压信号越强;顺磁金属层Pt的厚度越大,自旋塞贝克电压信号越弱。