基于硅烯/锗烯纳米带及其异质结的自旋电子器件的机理研究

Using the first-principles based on density functional theory combined with non-equilibrium green function method, it is exploring the effect mechanism between vacancy defects, dopants, complex defects and the electronic structures, spin and transport properties of silicene/germanene nanoribbon and its heterostructures. The project is beginning to model according to the experiment's results.Designing the rational models of nanoribbons with different dopants and defects, all the models will be optimized. The electronic structures and transport properties of silicene/germanene nanoribbons and its heterostructure will be investigated. The research contents mainly including: (1) The effects of the spin and transorpt properties of silicene/germanene nanoribbons with magnetic atoms(Ni, Co,et al.) and non-magnetic atom(B,N,et al.) doping will be investigated, and it is exploring the mechanism of the heteroatom substitute doping in the silicene/germanene nanoribbons ; (2) The spin and transport properties of silicene/germanene nanoribbons with vacancy defects will be investigated, and it is exploring the formation mechanism of vacancy defects of silicene/germanene nanoribbons, It is establishing the effective parameter's modulation system between the defective configurations and the properties of silicene/germanene nanoribbons; (3) The spin and transport properties of silicene/germanene nanoribbons with complex defects will be investigated; (4) The spin and transport properties of silicene/germanene nanoribbons heterostructures will be investigated, and it is exploring the van der waals interation between the layers.

本课题采用基于密度泛函理论的第一性原理结合非平衡格林函数方法，探索空位缺陷、杂质和复合缺陷对单层硅烯/锗烯纳米带及其异质结的电子结构、自旋及输运特性的影响机制。课题拟从实验验证的模型出发，通过合理设计含有不同杂质和缺陷的纳米带模型，并进行几何结构优化，实现对单层硅烯/锗烯纳米带及其异质结的电子结构和输运性能等的研究。 研究内容主要包括：(1)研究磁性原子(钴、镍等)和非磁性原子（硼、氮等）掺杂对硅烯/锗烯纳米带自旋及输运性能等的影响，并揭示异质原子在单层硅烯/锗烯纳米带中的取代掺杂机理；(2)研究含空位缺陷的硅烯/锗烯纳米带的自旋及输运特性，探讨硅烯/锗烯纳米带中空位缺陷的形成机制，并确立缺陷结构与单层硅烯/锗烯纳米带性能之间有效的参数控制体系；(3)研究含复合缺陷的硅烯/锗烯纳米带的自旋及输运特性；(4)研究硅烯/锗烯纳米带异质结的自旋及输运特性，探讨层与层之间的范德瓦尔斯作用。

由于硅烯具有较强的自旋轨道耦合强度，系统地研究空位缺陷、杂质和复合缺陷对单层硅烯/锗烯纳米带及其异质结的电子结构、自旋及输运特性的影响机制，这对基于硅烯/锗烯纳米带的自旋电子器件的设计与应用具有重要的参考价值。本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理结合非平衡格林函数方法，主要研究内容包括：探讨了钴、镍、硼、氮、铝和磷等掺杂对锯齿型硅烯纳米带几何结构和电子学性能的影响，结果表明硼/氮共掺杂能够调控锯齿型硅烯纳米带的能隙，当硼原子（铝原子）的掺杂位置逐渐向纳米带边缘移动，体系的半金属特性也能进行调节；对含Stone-wales缺陷、空位缺陷和复合缺陷的扶手椅型硅烯纳米带进行了优化和电子学性能的计算，并进一步构建双探针模型研究其输运性能，研究结果表明含Stone-wales缺陷的模型相比理想的扶手椅型硅烯纳米带具有更好的I-V特性；针对硼氮共掺杂对锯齿型锗烯纳米带的电子学性能研究发现，调节两掺杂原子之间的距离可以影响费米能级附近的能带，并调控锗烯纳米带的自旋特性，实现半金属特性；通过研究硼氮共掺杂对碳化硅纳米带的结构稳定性、电子结构及自旋特性的影响，结果表明当硼原子逐渐向纳米带边缘移动，碳化硅纳米带体系更稳定，体系费米能级附近的能带也能得到有效的调控，半金属特性也能调节；通过考虑在硅烯纳米带边缘可能出现的域边界4-8缺陷，本项目构建了不同类型的4-8缺陷硅烯纳米带。研究发现无论硅烯纳米带的边缘是锯齿型的还是扶手椅型的，含有4-8缺陷的体系都具有一定的能隙；通过研究锯齿型和扶手椅型两种不同杂化比例的氮化硼纳米带与石墨烯纳米带的杂化体系，当改变杂化比例可以调控体系的能隙，考虑自旋极化的情况，锯齿型杂化体系的半金属特性也可以通过改变杂化的比例来调节。通过本项目的研究可以为硅烯/锗烯纳米带和类石墨烯二维纳米材料的实验研究提供理论分析，并为基于硅烯/锗烯纳米带的电子器件的设计与应用提供理论参考。