平面构型Si基纳米材料的自旋极化及电子输运性质研究

Silicon based nanomateirals has currently undergone a flurry of research interest in fields of nanostructures due to their novel geometies, versatile physics, and thus promising potential for future nanoelectroics applications. In the present works, we would focus on how to modulate the magnetic properties of planar Si based nanostructures (silicene) and design the corresponding silicene-based nanodeives: (1) Investigate the growth micro-mechanism of silicene sheet, and clarify the effects of the size of nanostructures, deposited substrates, and growth temperature on silicene structure stability, predicting on the promising spin transport properties of two-dimensitional silicene sheet; (2) Investigate the effects of intrinsic defects, foreign atom doping, and external electric field in silicene/Si-nanoribbon/Si-superlattice on the charge transfer, bonding interactions between different atoms, and the formation energies of defects, clarifying the electronic spin polarized and transport properties; (3) Investigate how to modify the surface or interface of silicene-based nanostructures by light elements or molecular groups, and clarify the relationship between the electronic structures and magnetic properties, realizing the promosing functionalized properties of silicene-based nanostructures; (4) Design several types of silicene -based nanodevices, and then analyze the ralationship between electronic structures and the charity, length, highth of the branch of nanostructures, clarifying the electonic spin-polarized tranport properties. This project would not only make us understand the spin-polarized transport properties of silicene-based nanostructures, but also direct the experiments to synthesis silicene-based nanomaterilas and nanodevices.

Si基纳米材料是目前纳米材料研究的最前沿领域之一，其特点在于结构新颖，物理内涵丰富，应用前景巨大。本项目拟对平面结构Si基纳米材料的生长机理、磁学性能调控和器件设计展开系统研究：（1）研究Si基纳米结构的微观形成机理，弄清材料的形貌与衬底、纳米尺寸及生长温度等的关系，预测具有优异自旋输运性质的稳定构型Si基纳米材料。（2）研究纳米片/带/结中本征缺陷和离子掺杂，以及外电场等对电荷转移量、原子间键合和形成能的影响，弄清电子的自旋极化特征和输运性质。（3）研究小型分子和分子基团等对纳米结构进行物理和化学修饰，弄清微观结构和电磁性能的关系，实现纳米材料的性能优化和功能化；（4）设计几种Si基纳米器件，分析电子结构与材料自身的手性、长度、分支的高度、宽度的关联效应，弄清自旋电子输运性质。本项目有助于我们对平面Si基纳米结构中自旋极化电子输运性质的认识，促进新型Si基纳米材料与器件的发展。

本项目利用密度泛函理论的第一性原理计算和紧束缚模型方法，对二维Si基纳米材料的电子性质展开了系统研究,设计出了多种硅基纳米异质结构, 对促进新型Si基纳米材料与器件的制备具有重要意义。. [1] 研究了单层ZnS衬底通过范德瓦尔斯作用对硅烯电子性质的影响。我们发现这种异质结构构型打开了相当大的带隙（0.025 ~1.05 eV），硅烯的狄拉克锥性质被很好的保存了下来，这就意味着其小的电子有效质量和高的电子迁移率均不会被破坏，为其在硅基场效应晶体管中的应用奠定了基础。. [2] 鉴于单层过渡金属硫化物的成功制备，研究了硅烯在MoSe2衬底上生长时的结构可行性以及电子特性。我们在硅烯/MoSe2异质结结构中观察到线性能带色散关系，并且具有一个很大的带隙。更重要的是，我们发现异质结的带隙以及电子有效质量可以通过层间距、平面应力、外电场进行有效的调控。. [3] 基于晶格的完美匹配，我们选取了硅烷和锗烷作为硅烯的外延衬底。结合能计算表明异质结之间是范德瓦尔斯相互作用。硅烯和衬底之间由于在位能的不同诱使对称性破缺，使得异质结的能带打开了带隙，且能保持线性能带色散关系。层间距和双层应力的调控可以实现异质结的带隙呈现打开和闭合的逻辑电路关系。. [4] 在硅烯的研究基础上，我们还研究了不同衬底对石墨烯和锗烯电子性质的影响，比如BC3和锗烷衬底。在这些异质结构型中，石墨烯和锗烯均保留了其狄拉克锥特性。带隙的可调性和低的电子有效质量保证了这些异质结在未来微电子器件中的应用。. [5] 探究了锗烯吸附金属原子以及氟化氮化铝纳米面的几何、电子和磁学性质。在这些纳米结构中，存在多种有趣的电子性质，如极化率为100%的半金属，磁性半导体。这类材料在未来自旋电子学器件中的应用具有重要的意义。. [6] 研究了通过有机官能团和卤族元素修饰来实现锡烯和TlSb薄膜的量子自旋霍尔效应。结合wannier函数，我们证明了其螺旋边缘态的存在。它们的体态带隙可以达到0.2eV以上，并且可以通过应力和电场来进行有效的调控。这些研究成果为新型二维拓扑绝缘体的设计起到了推动作用。