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.     

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.     

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.     

B与N掺杂对单层石墨纳米带自旋极化输运的影响

通过第一性原理计算研究了具有锯齿状边沿并且具有反铁磁构型的单层石墨纳米带的自旋极化输运.研究发现,在中心散射区同一位置掺入单个B和N原子,尽管对整个体系磁矩的影响完全相同,但对两个自旋分量电流的影响却完全相反.掺B时,自旋向上的电流显著大于自旋向下的电流;而掺N时,自旋向下的电流显著大于自旋向上的电流.这是由于不管掺B还是掺N都将打破自旋简并,使得导带和价带中自旋向上的能级比自旋向下的能级更高.掺B引入空穴,使完全占据的价带变为部分占据,从而自旋向上的能级正好处于费米能级,使得电子透射能力更强、电流更大,而自旋向下的能级则离费米能级较远使电子透射的能力较弱.掺N则引入电子,使得原来全空的导带变为部分占据,从而费米能级穿过导带中自旋向下的能级,使得自旋向下的电子比自旋向上的电子透射能力更强. 关键词： 自旋极化输运 单层石墨纳米带 第一性原理 非平衡格林函数     

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.     

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.     

锯齿型石墨烯纳米窄带中量子霍尔体系的电场调控

应用含自洽格点在位库仑作用的Kane-Mele模型,研究锯齿型石墨烯纳米窄带平面内横向电场对边界带能带结构和量子自旋霍尔(QSH)体系的影响.研究结果显示,当电场强度较弱时,外加电场的方向可以调控自旋向下的两个边界带一起朝不同方向移动,导致波矢q=0.5处自旋向下的两个纯边界态的能量简并劈裂方向可由电场调控;当电场强度进一步增强到超过0.69 V/nm,自旋向下的两个边界带出现较大带隙,能带反转,而自旋向上的电子结构无能隙,系统呈现半金属性,同时QSH体系不再是B类.特别当电场强度为1.17 V/nm时,在自旋向下能带的能隙中,q=0.5处存在自旋向上的纯边界态,意味着在8格点边界处可以产生自旋向上的纯边界电流.当电场强度持续增加时,QSH系统从B类到C类经历3个阶段的变化.当电场强度超过1.42 V/nm后,自旋向上的两个边界带也出现能带反转,分别成为导带和价带,系统成为C类的普通量子霍尔体系.     

二噻吩硼烷异构体分子结构测定的第一性原理研究

本文在第一性原理计算基础上结合非平衡格林函数方法,研究了量子干涉效应对连接镍电极的二噻吩硼烷(dithienoborepin,DTB)分子结自旋输运性质的影响,并通过氨基和硝基钝化实现了对二噻吩硼烷分子异构体(DTB-A和DTB-B)的区分.结果表明,原始的DTB-A和DTB-B分子结在费米能级两侧都有一个自旋向上透射峰和一个自旋向下透射峰,且两个透射峰的能量位置和高度基本相同.因此,原始DTB-A和DTB-B分子结的自旋向上和自旋向下电流曲线基本重合,不能被明显区分.然而,研究发现量子干涉效应能不同程度地增强氨基钝化DTB-A分子结费米能级两侧分子轨道的自旋极化输运能力,并减弱氨基钝化DTB-B分子结费米能级两侧分子轨道的自旋极化输运能力.此外,研究还发现量子干涉效应可以显著提高硝基钝化DTB-B分子结费米能级两侧分子轨道的自旋极化输运能力,同时减弱硝基钝化DTB-A分子结费米能级两侧分子轨道的自旋极化输运能力.由于量子干涉效应对氨基和硝基钝化的DTB异构体分子结自旋输运能力有不同的调制作用,因此可以通过测量氨基和硝基钝化分子结的自旋电流值来区分DTB分子的两种异构体.     

扰动对有机磁体器件自旋极化输运特性的影响

基于紧束缚模型和格林函数方法,研究了有机磁体晶格扰动和侧基自旋取向扰动对金属/有机磁体/金属三明治结构有机自旋器件自旋极化输运特性的影响.计算结果表明:晶格扰动的存在降低了器件的起始偏压,减小了导通电流,并使得电流-电压曲线的量子台阶效应不再显著,扰动不太强时电流仍呈现较高的自旋极化率;而侧基自旋取向扰动减小了体系的自旋劈裂,增加了器件的起始偏压,低偏压下随着扰动的增强器件电流及其自旋极化率明显降低.进一步模拟了温度对器件自旋极化输运的影响. 关键词： 有机自旋电子学 有机磁体 自旋极化输运 自旋过滤     

对称双势垒量子阱中自旋极化输运的时间特性

电子的隧穿时间是描述量子器件动态工作范围的重要指标. 本文考虑k³ Dresselhaus 自旋轨道耦合效应对系统哈密顿量的修正, 结合转移矩阵方法和龙格-库塔法来解含时薛定谔方程, 进而讨论了电子在非磁半导体对称双势垒结构中的透射系数及隧穿寿命等问题. 研究结果发现:由于k³ Dresselhaus 自旋轨道耦合效应使自旋简并消除, 并在时间域内得到了表达, 导致自旋向上和自旋向下电子的透射峰发生了自旋劈裂; 不同自旋取向的电子构建时间和隧穿寿命不同, 这是导致自旋极化的原因之一; 电子的自旋极化在时间上趋于稳定. 关键词： 自旋极化输运 透射系数 隧穿寿命 自旋极化率     

铁磁、肖特基金属和半导体纳米自旋过滤器中的量子尺寸效应

采用转移矩阵法,研究了结构尺度对自旋过滤器中电子自旋极化特性的影响.该自旋过滤器可以通过在半导体异质结上沉积纳米足度的铁磁条带和肖特基金属条带来实现.计算结果表明,电子的自旋极化特性强烈依赖于铁磁条带和肖特基金属条带的结构尺度和位置,即该器件中存在量子足寸效应.此外,我们的计算结果还表明,电子的自旋极化特性还与施加在肖特基金属条上的电压所诱发的电垒高度密切相关.因此,我们可以通过改变施加在肖特基金属条上的电压来调控该器件中电子的自旋极化特性,制造一个电压可调的电子自旋过滤器.     

锗/硅异质纳米结构中空穴存储特性研究

对p沟道锗/硅异质纳米结构存储器空穴隧穿的物理过程作了详细的分析，并对器件的擦写和保留时间特性进行了数值模拟.研究结果表明：由于异质纳米结构的台阶状隧穿势垒和较高价带带边差的影响，与传统的硅纳米结构存储器和n沟道锗/硅异质纳米结构存储器相比，当前器件的保留时间分别提高到10⁸和10⁵s以上，同时器件的擦写时间特性基本保持不变.这种存储器结构单元有效地解决了快速擦写编程和长久存储之间的矛盾，极大地提高了器件的存储性能. 关键词： 锗/硅 纳米结构 存储器 空穴存储 数值模拟     

石墨烯纳米带电极区N掺杂电子输运性质研究

运用密度泛函理论和非平衡格林函数结合的方法,研究电极区N掺杂对扶手椅型石墨烯纳米带电子输运特性的影响.结果表明,与本征扶手椅型石墨烯纳米带电流-电压曲线相比,宽度为7的石墨烯纳米带电流-电压曲线表现出明显的不对称性,其中心N掺杂表现强烈的整流特性,整流系数达到102数量级,且将N原子从电极区中心位置移动到边缘,整流特性减弱.研究结果表明宽度为7的扶手椅型石墨烯纳米带出现强整流现象的原因主要是负向偏压下能量窗内没有透射峰引起的,该研究结果对将来石墨烯整流器件的设计具有重要的意义.     

六配位FeN6自旋翻转化合物的自旋输运特性

本文采用第一性原理计算和非平衡格林函数方法,研究了六配位FeN₆的自旋输运特性. 理论计算结果表明在外场(如光辐射)作用下通过改变配体与磁芯间键长来实现磁体的高低自旋之间的转换. 基于计算得到的透射谱和伏安曲线,发现通过高自旋态分子结的电流显著大于低自旋态磁体,且通过高自旋态分子结的输运特性由自旋向下的电子提供主要贡献. 理论预测出来的分子开关和自旋过滤效应表明此类铁基六配体自旋翻转化合物可用于分子自旋电子学器件设计.     

铁磁、肖特基金属和半导体纳米自旋过滤器中的量子尺寸效应

采用转移矩阵法,研究了结构尺度对自旋过滤器中电子自旋极化特性的影响．该自旋过滤器可以通过在半导体异质结上沉积纳米尺度的铁磁条带和肖特基金属条带来实现．计算结果表明,电子的自旋极化特性强烈依赖于铁磁条带和肖特基金属条带的结构尺度和位置,即该器件中存在量子尺寸效应．此外,我们的计算结果还表明,电子的自旋极化特性还与施加在肖特基金属条上的电压所诱发的电垒高度密切相关．因此,我们可以通过改变施加在肖特基金属条上的电压来调控该器件中电子的自旋极化特性,制造一个电压可调的电子自旋过滤器．     

碳和氧掺杂紫磷烯作为双极磁性半导体材料的理论预测

紫磷烯是一种结构稳定且具有优异光电特性的新型二维材料,研究掺杂效应有助于理解其物理本质,对进一步开发纳米电子器件具有重要意义.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了非金属元素B,C,N,O掺杂单层紫磷烯的电磁性质.计算结果表明,B和N掺杂之后没有产生磁性,体系依旧表现为非磁性半导体;而C和O掺杂导致体系发生自旋劈裂,紫磷烯由非磁性半导体转变成为双极磁性半导体,其自旋密度主要分布在磷原子和间隙区域内而非杂原子上.电场调控氧掺杂紫磷烯可使其载流子的自旋极化方向发生反转,当施加一定大小的正向或反向的静电场时,能带色散程度变强,氧掺杂紫磷烯转变成100%自旋极化向下或向上的单自旋半金属磁体.基于氧掺杂紫磷烯材料设计的场效应自旋滤通器可利用改变门电压方向的方法实现电流自旋极化方向的反转,表明氧掺杂紫磷烯有望成为二维自旋场效应晶体管、双极磁性自旋电子学器件、双通道场效应自旋滤通器以及场效应自旋阀的理想候选材料.     

GaMnN铁磁共振隧穿二极管自旋电流输运以及极化效应的影响

通过理论计算研究GaMnN铁磁共振隧穿二极管自旋电流输运特性.理论结果表明在电流特性曲线上出现两个明显的自旋分裂峰.该电流自旋分裂峰和相应的自旋极化随温度的升高而逐渐减小消失.当进一步考虑到GaN异质结界面极化电荷影响时,自旋向下的电流共振峰得到明显增强,同时电流的自旋极化也得到相应的提高.在一定的极化电荷条件下,可以获得较高的自旋极化电流. 关键词： GaMnN 共振隧穿 自旋电流 极化电荷     

Al0.6Ga0.4N/GaN/Al0.3Ga0.7N/Al0.6Ga0.4N量子阱中的Rashba自旋劈裂

正如人们所知, 可以通过电场或者设计非对称的半导体异质结构来调控体系的结构反演不对称性(SIA)和Rashba自旋劈裂. 本文研究了Al_0.6Ga_0.4N/GaN/Al_0.3Ga_0.7N/Al_0.6Ga_0.4N量子阱中第一子带的Rashba 系数和Rashba自旋劈裂随Al_0.3Ga_0.7N插入层(右阱)的厚度w_s以及外加电场的变化关系, 其中GaN层(左阱)的厚度为40-w_s Å. 发现随着w_s的增加, 第一子带的Rashba系数和Rashba自旋劈裂首先增加, 然后在w_s>20 Å 时它们迅速减小, 但是w_s>30 Å时Rashba自旋劈裂减小得更快, 因为此时k_f也迅速减小. 阱层对Rashba系数的贡献最大, 界面的贡献次之且随w_s变化不是太明显, 垒层的贡献相对比较小. 然后, 我们假w_s=20 Å, 发现外加电场可以很大程度上调制该体系的Rashba系数和Rashba自旋劈裂, 当外加电场的方向同极化电场方向相同(相反)时, 它们随着外加电场的增加而增加(减小). 当外加电场从-1.5×10⁸ V·m^-1到1.5×10⁸ V· m^-1变化时, Rashba系数随着外加电场的改变而近似线性变化, Rashba自旋劈裂先增加得很快, 然后近似线性增加, 最后缓慢增加. 研究结果表明可以通过改变GaN层和Al_0.3Ga_0.7N层的相对厚度以及外加电场来调节Al_0.6Ga_0.4N/GaN/Al_0.3Ga_0.7N/Al_0.6Ga_0.4N量子阱中的Rashba 系数和Rashba自旋劈裂, 这对于设计自旋电子学器件有些启示.     

含带隙石墨烯纳米带的自旋筛选输运

利用Landauer-Büttiker公式和非平衡格林函数方法，研究了在电荷和自旋偏压共同作用下的扶手椅型石墨烯纳米带的自旋相关的电子输运性质. 当系统存在两种偏压时，不用自旋的电子具有不同的偏压窗口. 同时，含带隙石墨烯纳米带具有与自旋无关的导电电压阈值. 通过设置适当的两种偏压值，系统可以产生易于调节的单一自旋的电流.     

非对称结构对黑磷烯器件电子输运的影响

利用不同宽度的锯齿型黑磷烯纳米带构建了非对称结构的纳米器件.第一性原理计算结果表明,非对称结构器件I-V曲线展现表现出整流效应,最大整流比达到1.01×10~6.器件的不同非对称结构导致了不同整流行为.我们通过传输谱和透射本征态讨论得到,器件中心区域和电极的耦合变化导致了本征态的变化,从而产生不同的电子输运性质.结果为基于黑磷烯二维材料异质结整流器件的设计提供了一种可行性方案.