基于石墨烯纳米结构自旋相关热电输运与调控研究

Graphene is a new kind of two-dimensional carbon nanomaterials. Since the graphene has been successfully prepared in 2004, it has been attracting considerable attention by scientists due to the unique physical preperties, such as Klein tunneling, Zitterbewegung, half integer quantum Hall effect and minimal conductivity. This project will focus on spin-dependent thermoelectric transport and its manipulation in ferromagnetic graphene and graphene nanoribbon systems. The detailed contents include: By using non-equilibrium Green''s function method combined with first principles approach, we will investigate on the quantitative depenedence of thermal conductance, spin Seebeck coefficient and the thermoelectric figure of merit ZT on the polarization strength and magnetic configuration of two ferromagnetic leads in ideal (in the absence of impurity doping or stress) graphene and graphene nanoribbon systems. Furthermore, we will also study the dependence of the above physical quantities on the strength of impurity doping or the magnitude of stress in the presence of impurity doping or stress for the similair systems. Our research may display some new thermoelectric effects and phenomena which are different from those of conventional semiconductor heterojunctions in two-dimensional electron gases. Besides, our study in principle may provide physical models and theoretical validity in designing the spintronic thermoelectric devices based on the graphene nano-junctions.

石墨烯是一种新型二维平面碳纳米材料。自从2004年成功制备以来，石墨烯以其独特的物理性质，如克莱因佯谬，狄拉克颤动，半整数霍尔效应,最小电导率等引起了科学家们广泛的研究兴趣。本项目将围绕石墨烯及其纳米带铁磁体系中的自旋相关热电输运性质以及调控开展工作。具体研究内容包括：采用非平衡格林函数与第一原理数值计算相结合的方法，研究石墨烯及其纳米带铁磁体系理想模型(无杂质和无应力)的热导、自旋塞贝克系数和热电品质因子与铁磁电极磁化强度大小之间的定量关系，不同位置构型下体系的热导、自旋塞贝克系数和热电品质因子ZT。然后进一步研究掺杂或应力调控下石墨烯及其纳米带铁磁体系的上述物理量与杂质浓度或应力大小之间的关系。相关的研究可能展现一些与常规半导体异质结2DEG(二维电子气)体系不同的新的热电效应和现象，并可能为从原理上设计一些基于石墨烯纳米结的自旋热电输运器件提供物理模型和理论依据。

介观纳米体系的热电输运是一个具有重要科学意义和广泛应用背景的挑战性问题，其研究能促进合成高性能的热电材料，从而设计和构造具有可调控优越性能的热控器件。本项目中我们采用非平衡格林函数方法，主要研究了量子线-石墨烯耦合格点数、铁磁电极的极化强度、石墨烯与量子线之间耦合强度、温度和铁磁电极的构型对石墨烯-量子线杂化体系的热电输运性质的影响。首先，我们研究了量子线-石墨烯耦合格点数N对热电势(塞贝克系数)S和电子贡献的热导κ的影响，发现S和κ均呈现有趣的振荡行为，此振荡行为与量子线-石墨烯耦合的格点数的奇偶性有关，一方面随着N的增加，对应的S和κ呈现的尖峰和峰谷数目相应地增加；另一方面，当N为奇数时，热导κ在费米能对应的热导为一尖峰；当N为偶数时，热导κ在费米能对应的热导为一峰谷。类似地，热电势S在费米能处的行为也和N的奇偶性有关。其次，我们研究了热电势S和电子贡献的热导κ与两铁磁电极的极化强度p以及量子线-石墨烯耦合强度之间的关系，结果表明，S和κ均随p的增大而增加，但两者随量子线-石墨烯耦合强度的增大而几乎不变。另外，我们还研究了上述体系的热电势S和电子贡献的热导κ与体系温度的关系，发现随着温度的上升，热导κ显著增加，而S缓慢增加。最后，我们研究了两铁磁电极的构型对体系热电输运性质的影响，发现在两铁磁反平行分布时，热电势S是最大的，而热导κ是最小的，但是S和κ随两铁磁电极磁矩的相对夹角变化均不显著。上述研究结果可能为从原理上设计基于石墨烯杂化体系的自旋热电器件提供物理模型和理论基础。