文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
石墨烯纳米器件的量子输运研究
姓名:张德华
申请学位级别:博士
专业:凝聚态物理
指导教师:姚凯伦
2011-05-30
华中科技大学博士学位论文
摘要
自从 2004 年 Novoselov 等人成功制备单层石墨( 石墨烯,Graphene) 以来,
石墨烯以其独特的电学性质,如 Klein 隧穿,狄拉克颤动,半整数霍尔效应等引起
了科学家们的广泛关注. 在科技迅猛发展的今天,石墨烯已经成为一种新型的碳纳
米材料,并且由其制备出了许多纳米尺寸的石墨器件,如量子结,双层石墨结构,
石墨烯纳米带( graphene nanoribbons,GNRs)等,它们具有巨大的应用前景. 石墨
烯纳米带作为一种准一维碳纳米材料,几何结构是决定电子结构的主要因素,在实
际应用中具有强烈的边界效应和复杂的电学性质,因此对基于石墨烯纳米带的器件
研究具有重要的意义。
通过引入各种无序(包含缺陷和掺杂以及其他手段)来研究石墨烯纳米带的电
子以及输运性质,成为了当前研究的热点话题。本文主要利用基于非平衡格林函数
与密度泛函理论相结合的材料模拟软件 ATK,研究了氮/硼掺杂的异质结的奇异的电
荷输运性质,结合自旋密度泛函理论研究了全碳基的隧穿磁阻装置,并研究了一种
新型的电压控制的无自旋轨道耦合的双向纯自旋流开关。
对氮/硼掺杂的异质结的电荷输运性质的研究表明,两种直接连接或者有隔离区
域的掺杂的扶手椅型异质结不仅在正负偏压下都具有较大峰谷比的负微分电阻现
象,而且这种两种异质结也都出现了比较大整流系数的类二极管行为。我们的分析
表明共振峰随着外加偏压的变化有很大变化,而这对异质结 A 和 B 的非线性行为有
很重要的影响,同时我们也看到 MPSH 能隙在系统 A 的奇异输运性质中也扮演了很
重要的角色。
对于由部分打开的碳纳米管(石墨烯)和金属碳纳米管组成的全碳基的隧穿磁
阻装置,我们研究了其巨磁阻效应。在这种部分打开碳纳米管边界碳原子为非对称
饱和的结构中,其隧穿磁阻(TMR)随着外加偏压的变化呈现出不规则的振荡并逐
渐衰减至 0,同时在振荡过程中我们发现了正负 TMR 甚至出现了 TMR 反转现象。我
们的分析表明这种奇异的隧穿磁阻现象与部分打开碳纳米管边界碳原子的非对称饱
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和结构有很大关系。同时我们发现这种装置的电子态受外加电压的影响很大。
最后我们基于一种新型的掺杂的锯齿型自旋无能隙石墨烯纳米带构造了一种电
压可以控制的不包含自旋轨道耦合的纯自旋流双向开关——通过改变电压的方向,
我们可以得到 100%自旋极化的方向相反的纯自旋流。我们从能带和投影自洽哈密顿
本征值(MPSH)分析了出现这种现象的机制。由于无能隙自旋半导体在费米面附近
的电子激发是 100%自旋极化,并且不需要激发能,而且这种无能隙自旋半导体的载
流子的移动速度很快,所以这种纯自旋流开关在自旋电子学、量子信息存储、量子
计算等方面有很重要的应用。

关键词:石墨烯; 石墨烯纳米带; 掺杂; 异质结;负微分电阻;类二极管;隧穿磁阻;
纯自旋流开关
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Abstract
Since Novoselov et al. essfully prepared the single-layer graphite(Graphene) in
2004. Graphene has arosed scientists’ wide attention due to the unique electrical properties,
such as Klein tunneling, Zitterbewegung and half an integer hall effect. In the rapid
development of technology today, graphene e a new kind of carbon nano materials,
and make out many nanometer sized graphene devices by it, such as quantum junction,
double layer graphene structure, graphene nanoribbons(GNRs) etc, which has great
application prospect. Graphene as a kind of quasi-one-dimensional nanomaterials,
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