含氮-空位缺陷锯齿状石墨烯纳米条带中负微分电阻和自旋过滤效应

采用第一性原理和非平衡格林函数方法,系统研究了含氮空位缺陷锯齿状石墨烯纳米条带的自旋极化输运特性．理论计算结果表明边界非对称的这类石墨纳米条带的基态具有铁磁性,由其构建的分子结中负微分电阻效应具有鲁棒性,是电极局域的态密度及依赖偏压的散射区-电极耦合作用结果．此外,在特定偏压区域还观察到几乎完美的自旋过滤效应．     

外加横向电场作用下石墨烯纳米带电子结构的密度泛函紧束缚计算

采用基于密度泛函理论的紧束缚方法计算研究了外加横向电场对边缘未加氢/加氢钝化的扶手椅型石墨烯纳米带的电子结构及电子布居数的影响.计算结果表明,石墨烯纳米带的能隙变化受其宽带影响.当施加沿其宽度方向的横向外加电场时,纳米带的能带结构及态密度都会产生较大的变化.对于具有半导体性的边缘未加氢纳米带,随着所施加电场强度的增加,...     

基于Z型石墨纳米条带的量子点：第一性原理研究

本文采用全自洽的格林函数和电子密度泛函理论方法对Z型石墨纳米条带的电子结构和输运性质进行了理论研究。理论计算结果表明Z型石墨纳米条带可以用来设计量子点。由于分子结的特殊几何结构，一些分立电子态可以被囚禁在中间纳米条带内，表现出明显量子限域效应。我们还发现这些被囚禁电子态的数目和它们的空间分布特征是可以调制的，然而这种基于Z型石墨纳米条带的量子点总是可以实现，而不受掺杂、边界化学修饰以及分子结长度的影响     

边界修饰醚基的锯齿形石墨烯纳米条带的场发射的第一性原理研究

采用一种基于密度泛函理论计算的自洽方法研究了边界修饰有C-O-C醚基的锯齿形石墨烯纳米条带(包括边界有连续的醚基ZGNR-CE和50%覆盖度的醚基ZGNR-AE)的电子场发射特性. 模拟结果显示两种纳米条带的场发射主要由布里渊区中心且靠近费米面的电子态所决定. 因为具有较低的功函数,ZGNR-CE条带能产生比未修饰的重构锯齿形石墨烯纳米条带强很多的场发射电流;而ZGNR-AE条带有着几乎完全自旋极化的场发射电流,尽管电流不够强. 另外在较低的外电场下,单轴方向的外加应变能有效调控它们的场发射电流,但ZGNR-AE条带的高自旋极化保持不变. 通过分析这些条带的功函数、能带结构以及结合边界电偶极模型,揭示了相关机制.     

基于密度泛函理论的单层氢化石墨烯特性分析

本文采用密度泛函理论的第一性原理方法,研究了不同尺寸H-graphene的稳定性、HOMO-LU-MO能隙以及电子激发态.研究结果表明,对于C_(16)H_(10)、C_(30)H_(14)、C_(48)H_(18)、C_(70)H_(22)、C_(96)H_(26)、C_(126)H_(30)计算的比结合能,C_(126)H_(30)相比C_(16)H_(10)的比结合能增长23.9%,且比结合能随着H-graphene尺寸扩大而增加,意味着稳定性不断提高.通过对HOMO-LUMO能隙分析发现,在较小尺寸的H-graphene中,由于量子效应起主要作用,因此出现了较大的HOMO-LUMO能隙,且随着H-graphene团簇尺寸的增加,能隙逐渐缩小可以看出,对于无限大的H-graphene团簇中,HOMO-LUMO能隙无限趋近于零(相当于零带隙),其电子性质与纯石墨烯相似.通过分析C_(16)H_(10)、C_(30)H_(14)、C_(48)H_(18)、C_(70)H_(22)激发态以及了吸收光谱,发现随着尺寸的扩大,吸收光谱发生红移,为石墨烯在电子器件领域的应用提供理论基础.     

石墨烷纳米条带阵列中的近自由电子态

基于第一性原理计算,在石墨烷纳米条带阵列中找到类似于石墨烯纳米条带阵列的两种近自由电子态. 研究了电子掺杂对这些近自由电子态的影响,发现有可能通过掺杂打开一条真空中的输运通道.     

多孔石墨烯纳米片电学性质的研究

采用紧束缚近似方法,研究了三角形锯齿型石墨烯纳米片(Triangular zigzag graphene nanosheets, TZGN)的电子结构.研究表明单孔TZGN结构的零能级都是外边缘态,跟孔的大小没有关系.多孔TZGN结构受孔间结构的影响,零能级会随着孔数目的增加逐渐出现内外边缘耦合态,导带和价带能级个数也会随着孔的大小和孔的数量的增加而减少.研究结果拓宽了石墨烯纳米结构在纳机电器件方面的应用.     

周期性应变调控斯格明子在纳米条带中的运动

斯格明子是一种拓扑稳定的手性自旋结构,凭借其在磁性赛道存储器和自旋电子器件方面的巨大应用潜力而受到研究人员的广泛关注.为了使斯格明子能够更好地应用于磁性赛道存储器,研究斯格明子在纳米条带中的运动行为就变得非常重要.本文主要研究了存在周期性应变的纳米条带中铁磁斯格明子和反铁磁斯格明子在电流驱动下的运动行为.研究结果表明:周期性应变使得驱动电流存在一个临界电流密度,只有当电流密度大于临界电流密度时斯格明子才能够在纳米条带中连续移动.临界电流密度随应变振幅的增加而增加,随应变周期的增加而减小.铁磁斯格明子在周期性应变的调制下会产生周期性运动,轨迹为波浪式,其横向速度受到边界的影响,而纵向速度则与应变梯度成正比.反铁磁斯格明子在周期性应变调控下运动方向不变,但其移动速度则剧烈变化.     

碳纳米管吸附铜原子的密度泛函理论研究

采用密度泛函方法对铜原子在有限长（5,5）椅型单壁碳纳米管的吸附行为进行了研究.计算结果表明,铜原子吸附在管外壁要比吸附在管内壁能量上更为有利,在管外壁碳原子顶位吸附最佳,属于明显的化学吸附.且用前线轨道理论对其成键特性进行了分析,表明在顶位吸附时主要由铜原子的4s轨道电子与碳纳米管中耦合的σ-π键形成新的σ键.此外还对比计算了两种典型位置电子密度,发现顶位吸附的成键中有更大的电子云重叠.进一步表明在某些情况下铜碳原子可以成键. 关键词： 碳纳米管 铜原子 成键特性     

纳米团簇B92的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论(DFT)研究了一种新颖的准球形纳米团簇B92.经过结构优化和频率分析,这一准球形笼状团簇的直径为0.968 nm,其结构满足Eoustani提出的"Aufbau principle".团簇B92的平均结合能、能隙(HOMO-LUMO gap)、垂直电离势(VIP)及垂直电子亲和势(VEA)分别为5.28 eV,1.19 eV,5.47eV及2.45 eV.计算所得到的红外谱(IR)上有一个明显的峰在895 Cm-1处.此谱将有助于从实验上确定本文所提出的团簇B92的结构,团簇B92的电荷分布表明,其有望成为未来纳米电子学中的一种电容器,另外,作为比较,本文也给出了其他一些笼状硼团簇的性质.     

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.     

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.     

含Stone-Wales缺陷zigzag型石墨烯纳米带的电学和光学性能研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理对zigzag型石墨烯纳米带中含有不同Stone-Wales缺陷的电子结构特性和光学性能进行研究. 考虑了两种模型:不计电子自旋和考虑电子自旋的情况.研究发现:不计电子自旋情况下,含对称Stone-Wales缺陷的石墨烯纳米带在缺陷区域出现了凹凸不平的折皱构型,两种不同的Stone-Wales缺陷都引起了电荷的重新分布.考虑电子自旋时,Stone-Wales缺陷的引入对石墨烯纳米带自旋密度有显著影响,也引起了不同自旋的电子态密度的变化.进一步研究了纳米带的光学性能,发现 关键词： 石墨烯纳米带 Stone-Wales缺陷 电子结构 光学性能     

Spin-polarized transport in a normal/ferromagnetic/normal zigzag graphene nanoribbon junction

We investigate the spin-dependent electron transport in single and double normal/ferromagnetic/normal zigzag graphene nanoribbon (NG/FG/NG) junctions.The ferromagnetism in the FG region originates from the spontaneous magnetization of the zigzag graphene nanoribbon.It is shown that when the zigzag-chain number of the ribbon is even and only a single transverse mode is actived,the single NG/FG/NG junction can act as a spin polarizer and/or a spin analyzer because of the valley selection rule and the spin-exchange field in the FG,while the double NG/FG/NG/FG/NG junction exhibits a quantum switching effect,in which the on and the off states switch rapidly by varying the cross angle between two FG magnetizations.Our findings may shed light on the application of magnetized graphene nanoribbons to spintronics devices.     

Spin-polarized transport in a normal/ferromagnetic/normal zigzag graphene nanoribbon junction

We investigate the spin-dependent electron transport in single and double normal/ferromagnetic/normal zigzag graphene nanoribbon (NG/FG/NG) junctions. The ferromagnetism in the FG region originates from the spontaneous magnetization of the zigzag graphene nanoribbon. It is shown that when the zigzag-chain number of the ribbon is even and only a single transverse mode is actived, the single NG/FG/NG junction can act as a spin polarizer and/or a spin analyzer because of the valley selection rule and the spin-exchange field in the FG, while the double NG/FG/NG/FG/NG junction exhibits a quantum switching effect, in which the on and the off states switch rapidly by varying the cross angle between two FG magnetizations. Our findings may shed light on the application of magnetized graphene nanoribbons to spintronics devices.     

硼或氮掺杂的锯齿型石墨烯纳米带的非共线磁序与电子输运性质

基于非共线磁序密度泛函/非平衡格林函数方法,研究了硼或氮掺杂的锯齿型石墨烯纳米带的非共线磁序与电子透射系数.未掺杂的石墨烯纳米带的计算结果表明磁化分布主要遵循类似于Neel磁畴壁的螺旋式磁化分布.相比于未掺杂的情况,硼/氮掺杂的石墨烯纳米带的磁化分布出现了双区域的特征,即杂质原子附近的磁化较小,杂质原子左(右)侧区域的磁化分布更接近于左(右)电极的磁化方向,这为通过掺杂手段在石墨烯纳米带边缘上构建不同磁畴壁提供了可能性.与未掺杂的透射系数不同的是,硼/氮掺杂的石墨烯纳米带的透射系数在费米面附近随着磁化偏转角增大而减小,表明非共线磁序引起的自旋翻转散射占据主导地位.而在E=±0.65 eV处,出现了一个较宽的dip结构,投影电子态密度的分析表明其来源于杂质原子形成的束缚态所引起的背散射.我们的研究结果对于理解石墨烯纳米带中的非共线磁序与杂质散射以及器件设计具有一定的意义.     

Chiral selective tunneling induced graphene nanoribbon switch

An armchair graphene nanoribbon switch has been designed based on the principle of the Klein paradox. The resulting switch displays an excellent on-off ratio performance. An anomalous tunneling phenomenon, in which electrons do not pass through the graphene nanoribbon junction even when the conventional resonance condition is satisfied, is observed in our numerical simulations. A selective tunneling rule is proposed to explain this interesting transport behavior based on our analytical results. Based on this selective rule, our switch design can also achieve the confinement of an electron to form a quantum qubit.      

BN链掺杂的石墨烯纳米带的电学及磁学特性

基于密度泛函理论第一性原理系统研究了BN链掺杂石墨烯纳米带(GNRs)的电学及磁学特性, 对锯齿型石墨烯纳米带(ZGNRs)分非磁态(NM)、反铁磁态(AFM)及铁磁性(FM)三种情况分别进行考虑. 重点研究了单个BN链掺杂的位置效应. 计算发现: BN链掺杂扶手椅型石墨烯纳米带(AGNRs) 能使带隙增加, 不同位置的掺杂, 能使其成为带隙丰富的半导体. BN链掺杂非磁态ZGNR的不同位置, 其金属性均降低, 并能出现准金属的情况; BN链掺杂反铁磁态ZGNR, 能使其从半导体变为金属或半金属(half-metal), 这取决于掺杂的位置; BN链掺杂铁磁态ZGNR, 其金属性保持不变, 与掺杂位置无关. 这些结果表明: BN链掺杂能有效调控石墨烯纳米带的电子结构, 并形成丰富的电学及磁学特性, 这对于发展各种类型的石墨烯基纳米电子器件有重要意义. 关键词： 石墨烯纳米带 BN链掺杂 输运性质 自旋极化     

石墨烯纳米带量子点中的量子混沌现象

在20 mK的极低温下测量了石墨烯纳米带量子点的电子输运性质,观测到清晰的库仑阻塞菱形块和对应量子点激发态的电导峰.对库仑阻塞近邻电导峰间距和峰值进行了统计分析,发现其统计分布分别满足无规矩阵理论描述的Wigner-Dyson分布和Porter-Thomas分布,说明石墨烯纳米带量子点在低温下出现了量子混沌现象.还讨论了这种长方形量子点中量子混沌的可能成因. 关键词： 石墨烯纳米带 量子点 库仑阻塞 量子混沌     

Band gap opening in zigzag graphene nanoribbon modulated with magnetic atoms

The effects of magnetic atom on the band structure of zigzag-edged graphene nanoribbons are investigated by the density functional theory. The results show that for narrow zigzag-edged graphene nanoribbons, the band gap can be opened duo to the spin-up/spin-down charges being re-enriched on the edge sites. However, for the wide zigzag-edged graphene nanoribbons, a spin-up/spin-down half-metallic property can be observed. Moreover, it is found that the Seebeck coefficients in the narrow zigzag-edged graphene nanoribbons are reversed and enlarged, which provides a way to design novel thermoelectric device.