蒽二噻吩分子连接铁磁锯齿边碳化硅纳米带的巨幅度自旋整流

利用非平衡格林函数结合密度泛函理论,研究了顺式蒽二噻吩和反式蒽二噻吩分子连接锯齿边碳化硅纳米带的自旋输运特性,并在铁磁场下观察到自旋向上和自旋向下具有同方向的自旋整流特性.在铁磁场下,边缘碳原子或者硅原子双氢原子钝化可以改变锯齿边碳化硅纳米带的本征金属性,使其转变为半导体.顺式蒽二噻吩器件和反式蒽二噻吩器件的自旋向上电流-电压特性可以呈现显著的自旋整流效应,相应的最大自旋整流比分别接近10¹¹和10¹⁰.此外,由于自旋向上和自旋向下电流值之间的巨大差异,两个器件的电流-电压特性都在正偏压区域呈现出完美的自旋过滤行为.以上发现对未来设计自旋功能分子器件具有重要意义.     

通过边缘修饰在非磁性石墨烯基单分子结中引入自旋的理论研究

在分子自旋电子学中,向非磁性的分子器件中注入自旋引起了广泛关注.在此提出一个新颖的策略,将磁性引入到与两个扶手椅形石墨烯纳米带电极耦合的单个苯分子器件中,即将这两个扶手椅形石墨烯纳米带电极的末端切割成锯齿形边缘的三角形石墨烯.利用第一性原理方法研究了分子结的自旋相关输运性质.结果表明,由于锯齿形边缘的三角形石墨烯向扶手椅形石墨烯纳米带电极和苯分子的自旋转移,导致锯齿形边缘三角形石墨烯的本征磁性减弱.有趣的是,虽然锯齿形边缘三角形石墨烯的本征磁性衰减了,但仍对分子结的自旋输运有显著的贡献.输运计算表明,在自旋平行构型下,可以获得较大的电流自旋极化率.然而,在自旋反平行构型下,电流的自旋极化率发生了反转.器件隧穿磁电阻的正负可以通过偏压来调控.这项工作提出了一个在新型分子自旋电子器件中设计和应用石墨烯纳米带的有趣方法.     

界面铁掺杂锯齿形石墨烯纳米带的自旋输运性能

基于密度泛函理论第一原理系统研究了界面铁掺杂锯齿(zigzag)形石墨烯纳米带的自旋输运性能, 首先考虑了宽度为4的锯齿(zigzag)形石墨烯纳米带, 构件了4个纳米器件模型, 对应于中心散射区的长度分别为N=4, 6, 8和10个石墨烯单胞的长度, 铁掺杂在中心区和电极的界面. 发现在铁磁(FM)态, 四个器件的β自旋的电流远大于α自旋的电流, 产生了自旋过滤现象; 而界面铁掺杂的反铁磁态模型, 两种电流自旋都很小, 无法产生自旋过滤现象; 进一步考虑电极的反自旋构型, 器件电流显示出明显的自旋过滤效应. 探讨了带宽分别为5和6的纳米器件的自旋输运性能, 中心散射区的长度为N=6个石墨烯单胞的长度, FM 态下器件两种自旋方向的电流值也存在较大的差异, β自旋的电流远大于α自旋电流. 这些结果表明: 界面铁掺杂能有效调控锯齿形石墨烯纳米带的自旋电子, 对于设计和发展高极化自旋过滤器件有重要意义.     

二维NiBr2单层自旋电子输运以及光电性质

磁性半导体材料在自旋电子器件领域具有重要的应用前景.本文设计了一些基于磁性半导体NiBr₂单层的纳米器件结构,并采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,研究了其自旋输运和光电性质.结果表明,在不同的输运方向(扶手椅形和锯齿形),NiBr₂单层PN结二极管表现出明显的整流效应及自旋过滤效应,这两种效应在其亚3 nm PIN结场效应晶体管中也同样存在.NiBr₂单层PIN结场效应晶体管的电子传输受到栅极电压的调控,电流随着栅极电压的增大受到抑制.另外,NiBr₂单层对蓝、绿光有较强的响应,其光电晶体管在两种可见光的照射下可以产生较强的光电流.本文研究结果揭示了NiBr₂单层的多功能特性,为镍基二卤化物在半导体自旋电子器件和光电器件领域的应用提供了重要参考.     

多层结构双自旋过滤隧道结中的电子输运特性

在转移矩阵方法及Mireles和Kirczenow的量子相干输运理论的基础上,研究了正常金属层/磁性半导体层/非磁绝缘层/磁性半导体层/正常金属层型双自旋过滤隧道结中Rashba自旋轨道耦合效应和自旋过滤效应对自旋相关输运的影响.讨论了隧穿磁电阻（TMR）、隧穿电导与各材料层厚度、Rashba自旋轨道耦合强度以及两磁性半导体中磁矩的相对夹角θ之间的关系.研究表明：含磁性半导体层的双自旋过滤隧道结由于磁性半导体层的自旋过滤效应和Rashba自旋轨道耦合作用可获得极大的TMR值.另外TMR和隧穿电导随着Rashba自旋轨道耦合强度的变化而振荡,振荡周期随Rashba自旋轨道耦合强度的增大逐渐减小. 关键词： 双自旋过滤隧道结 Rashba自旋轨道耦合 隧穿磁电阻 隧穿电导     

垂直各向异性Ho3Fe5O12薄膜的外延生长与其异质结构的自旋输运

垂直磁各向异性稀土-铁-石榴石纳米薄膜在自旋电子学中具有重要应用前景.本文使用溅射方法在(111)取向掺杂钇钪的钆镓石榴石(Gd_0.63Y_2.37Sc₂Ga₃O₁₂,GYSGG)单晶衬底上外延生长了2—100 nm厚的钬铁石榴石(Ho₃Fe₅O₁₂,HoIG)薄膜,并进一步在HoIG上沉积了3 nm Pt薄膜.测量了室温下HoIG的磁各向异性和HoIG/Pt异质结构的自旋相关输运性质.结果显示,厚度薄至2 nm的HoIG薄膜(小于2个单胞层)在室温仍具有铁磁性,且由于外延应变,2—60 nm厚HoIG薄膜都具有很强的垂直磁各向异性,有效垂直各向异性场最大达350 mT;异质结构样品表现出非常可观的反常霍尔效应和“自旋霍尔/各向异性”磁电阻效应,前者在HoIG厚度小于4 nm时开始缓慢下降,而后者当HoIG厚度小于7 nm时急剧减小,说明相较于反常霍尔效应,磁电阻效应对HoIG的体磁性相对更加敏感;此外,自旋相关热电压随HoIG厚度减薄在整个厚度范围以指数方式下降,说明遵从热激化磁振子运动规律的自旋塞贝克效应是其主要贡献者.本文结果表明HoIG纳米薄膜具有可调控的垂直磁各向异性,厚度大于4 nm的HoIG/Pt异质结构具有高效的自旋界面交换作用,是自旋电子学应用发展的一个重要候选材料.     

二维硼碳基纳米结构上的吸附及其性质

综述金属原子与非金属原子和分子在石墨烯、BC₃平面等二维硼碳基纳米结构上的吸附所表现出的各种物理性质及可能的应用.纯净的石墨烯为零带隙的半金属、无磁且自旋轨道耦合效应非常弱,BC₃平面为间接带隙半导体,但金属原子与非金属原子和分子的吸附可能使石墨烯体系在Dirac点处打开带隙、具有强自旋轨道耦合效应,可能使石墨烯体系与二维BC₃体系具有磁有序、超导电性及应用在氢存储上.另外石墨烯表现出非常好的分子探测性能.     

IrMn基反铁磁自旋阀的巨磁电阻效应

用第一性原理方法研究了在微观尺度具有三重对称磁结构的IrMn合金的反铁磁自旋阀(AFSV)的电子输运.研究表明:基于有序L1₂相IrMn合金的Co/Cu/IrMn自旋阀的巨磁电阻(GMR)效应具有三重对称性,可以利用这一特性区分反铁磁材料的GMR与传统铁磁材料的GMR.基于无序γ相IrMn合金的IrMn(0.84 nm)/Cu(0.42 nm)/IrMn(0.42 nm)/Cu(0.42 nm)(111) AFSV的电流平行平面构型的GMR约为7.7％,大约是电流垂直平面构型的GMR(3.4％)的两倍,明显大于实验中观测到的基于共线磁结构的FeMn基AFSV的GMR. 关键词： 反铁磁自旋阀 巨磁电阻效应 非共线磁结构 电流平行平面结构     

自旋输运和巨磁电阻--自旋电子学的物理基础之一

介绍磁性纳米结构和锰氧化物中电子的自旋极化输运和巨磁电阻效应，它们是新近发展的自旋电子学的物理基础之一．着重讨论的是以下三方面的基本物理图像：磁多层结构的巨磁电阻，铁磁隧道结的隧穿磁电阻，掺杂锰氧化物的庞磁电阻效应．     

自旋场效应晶体管中隧道磁阻的势垒相关反转效应

考虑自旋场效应晶体管中Rashba自旋轨道相互作用和自旋输运量子相干性,研究了势垒强度对自旋场效应晶体管的自旋相关量子输运的影响. 研究发现,势垒强度较低时,隧道结电导随Rashba自旋轨道相互作用强度的变化呈现明显的振荡现象,势垒强度较高时,电导表现出明显的势垒相关“电导开关”现象. 当势垒强度逐渐增强时,平行结构电导呈现出单调下降趋势,而反平行结构电导产生波动,这种波动导致该隧道磁阻也随势垒强度的变化表现出振荡现象,且在合适的准一维电子气厚度情况下隧道磁阻值可以产生正负反转,这个效应将会在基于自旋的电子器件信息的存储上获得应用. 关键词： 自旋场效应管 开关效应 量子相干 隧道磁阻     

氮化硼纳米带功能化碳纳米管的热自旋输运性质

热自旋电子学器件结合了自旋电子学和热电子学各自的优点,对人类可持续发展具有重要作用.本文研究了锯齿形BN纳米带(ZBNRs)共价功能化碳纳米管(SWCNT)的电子结构,发现ZBNRs-B-(6,6)SWCNT为磁性半金属,nZBNRs-B-(6,6)SWCNT(n=2—8)为磁性金属;nZBNRs-N-(6,6)SWCNT(n=1—8)为双极化铁磁半导体;4ZBNRs-B-(4,4)SWCNT和4ZBNRs-N-(4,4)SWCNT为磁性半金属,4ZBNRs-B-(m,m)SWCNT(m=5—9)为磁性金属;4ZBNRs-N-(m,m)SWCNT(m=5—9)为双极化铁磁半导体.然后,基于锯齿形BN纳米带共价功能化碳纳米管设计了新型热自旋电子学器件,发现基于ZBNRs-N-(6,6)SWCNT的器件具有热自旋过滤效应;而8ZBNRs-N-(6,6)SWCNT和nZBNRs-B-(6,6)SWCNT(n=1,8)都存在自旋相关塞贝克效应.这些发现表明BN纳米带功能化碳纳米管在热自旋电子学器件方面具有潜在的应用.     

Magnetoresistance of Fe3O4/Au/Fe3O4 and Fe3O4/Au/Fe spin-valve structures

A detailed study of the in-plane magnetotransport properties of spin valves with one and two Fe₃O₄ electrodes is presented. Fe₃O₄/Au/Fe₃O₄ spin valves exhibit a clear anisotropic magnetoresistance in small magnetic fields but no giant magnetoresistance (GMR). The absence of GMR in these structures is due to simultaneous magnetization reversal in the two Fe₃O₄ layers. By contrast, a negative GMR effect is measured on Fe₃O₄/Au/Fe spin valves. The negative GMR is attributed to an electron spin scattering asymmetry at the Fe₃O₄/Au interface or an induced spin scattering asymmetry in the Au interfacial layers.     

基于石墨烯电极的Co-Salophene分子器件的自旋输运

采用基于非平衡格林函数结合第一性原理的密度泛函理论的计算方法,研究了基于锯齿型石墨纳米带电极的Co-Salophene分子器件的自旋极化输运性质.计算结果表明,当左右电极为平行自旋结构时,自旋向上的电流明显大于自旋向下的电流,自旋向下的电流在[-1V,1V]偏压下接近零,分子器件表现出优异的自旋过滤效应.与此同时,在自旋向上电流中发现负微分电阻效应.当左右电极为反平行自旋结构时,器件表现出双自旋过滤和双自旋分子整流效应.除此之外,整个分子器件还表现出较高的巨磁阻效应.通过分析器件的自旋极化透射谱、局域态密度、电极的能带结构和分子自洽投影哈密顿量,详细解释该分子器件表现出众多特性的内在机理.研究结果对设计多功能分子器件具有重要的借鉴意义.     

Vertical WS_2 spin valve with Ohmic property based on Fe_3GeTe_2 electrodes

The two-dimensional(2 D) transition-metal dichalcogenides(TMDCs) have been recently proposed as a promising class of materials for spintronic applications. Here, we report on the all-2 D van der Waals(vd W) heterostructure spin valve device comprising of an exfoliated ultra-thin WS_2 semiconductor acting as the spacer layer and two exfoliated ferromagnetic Fe_3 GeTe_2(FGT) metals acting as ferromagnetic electrodes. The metallic interface rather than Schottky barrier is formed despite the semiconducting nature of WS_2, which could be originated from the strong interface hybridization. The spin valve effect persists up to the Curie temperature of FGT. Moreover, our metallic spin valve devices exhibit robust spin valve effect where the magnetoresistance magnitude does not vary with the applied bias in the measured range up to 50 μA due to the Ohmic property, which is a highly desirable feature for practical application that requires stable device performance. Our work reveals that WS_2-based all-2 D magnetic vd W heterostructure, facilitated by combining 2 D magnets, is expected to be an attractive candidate for the TMDCs-based spintronic applications.     

三角形石墨烯量子点阵列的磁电子学特性和磁输运性质

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了三角形石墨烯纳米片用不同连接方式拼接而成的四种一维量子点阵列(1D QDAs)的磁电子学性质和磁输运性质.结合能计算表明所有1D QDAs是非常稳定的.特别是研究发现1D QDAs的电子和磁性质不仅依赖于磁性态,也明显依赖于连接方式,如在无磁态时,不同量子点阵列(QDAs)可为金属或窄带隙半导体.在铁磁态时,不同QDAs能为半金属(half-metal)或带隙不同的双极化磁性半导体.而在反铁磁态时,不同QDAs为带隙不等的半导体.这些结果意味着连接方式对有效调控纳米结构电子和磁性质扮演重要的角色.1D QDAs呈现的半金属或双极化磁性半导体性质对于发展磁器件是非常重要的,而这些性质未曾在本征石墨烯纳米带中出现.同时,我们也研究了一种阵列的磁器件特性,发现其拥有完美的(100%)单或双自旋过滤效应,尤其是呈现超过109%的巨磁阻效应.     

一种可用于极化~3He实验的新型磁场系统

原子核自旋极化的~3He气体已被深入研究并广泛用于各种科学实验.在过去的极化~3He实验中,为了减小磁场梯度对纵向弛豫时间的影响,通常会建造大尺寸的亥姆霍兹线圈来提供所需均匀度的主磁场环境.本文通过计算得到了新的六正方形线圈系统,可以为极化~3He实验提供小型高均匀性的磁场装置.其中线圈系√统内部超过30%的区域磁场梯度满足(|▽B_x|~2+|▽B_y|~2)/B_0 10~(-4)cm~(-1),这一均匀区域比例超过了现在所有用于极化~3He实验的线圈装置.对于其他需要大均匀区域磁场环境的研究实验,新的六线圈系统也具有很好的应用价值.     

Ab initio Study of Electronic Structure and Magnetic Properties of Two Novel Neptunium （V） Sulfates： iaK3（ipO2）4（SO4）4（H2O）2 and iaipO2SO4H2O

Ab initio within the full potential linearized augmented plane wave （FP-LAPW） method with the GGA＋U approach is applied to study the electronic structures of two compounds NaK3（NpO2）4（SO4）4（H2O）2 and NaNpO2SO4H2O. The present calculations show that the major part of the spin magnetic moment in these two compounds is from Np（V） ions, and the origin of the cation-cation interactions between Np comes from the spin polarization effect within Np-ONv-Np bonds.     

Pure spin-current diode based on interacting quantum dot tunneling junction

A magnetic field-controlled spin-current diode is theoretically proposed, which consists of a junction with an interacting quantum dot sandwiched between a pair of nonmagnetic electrodes. By applying a spin bias V_S across the junction, a pure spin current can be obtained in a certain gate voltage regime,regardless of whether the Coulomb repulsion energy exists. More interestingly, if we applied an external magnetic field on the quantum dot, we observed a clear asymmetry in the spectrum of spin current I_S as a function of spin bias, while the charge current always decays to zero in the Coulomb blockade regime. Such asymmetry in the current profile suggests a spin diode-like behavior with respect to the spin bias, while the net charge through the device is almost zero. Different from the traditional charge current diode, this design can change the polarity direction and rectifying ability by adjusting the external magnetic field, which is very convenient. This device scheme can be compatible with current technologies and has potential applications in spintronics or quantum processing.     

掺铌SrTiO_3中的逆自旋霍尔效应

采用磁控溅射法在未掺杂和掺杂的SrTiO_3基片上沉积了NiFe薄膜,通过翻转测试法分离出掺杂样品中的自旋整流电压和逆自旋霍尔电压.研究结果表明:在未掺杂的SrTiO_3基片中,翻转前后测试的电压曲线基本一致,为NiFe薄膜自旋整流效应产生的电压.对于掺Nb浓度x为0.028, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2的SrTiO_3基片,分离出的逆自旋霍尔电压随掺杂浓度增加而减小,在掺杂浓度为0.15和0.2的样品中没有探测到明显的逆自旋霍尔电压.本文的结果表明,在SrTiO_3中掺入强自旋轨道耦合的杂质,通过掺杂浓度可以实现对SrTiO_3中逆自旋霍尔效应的调控,这类可调控的自旋相关研究为自旋电子器件的研究和开发提供了更多的可能性,具有很大的潜在应用价值.