双层石墨烯量子结构的分区磁性掺杂与电子自旋调控

近年来，二维石墨烯量子体系受到国内外的广泛关注，成为研究热点。由于层间耦合作用，双层石墨烯量子结构(包括双层石墨烯、双层石墨烯纳米条带、折叠石墨纳米条带等)在性质上与单层石墨烯有所不同，表现出丰富的结构和电子性质。这为我们在双层石墨烯量子结构中进行磁性掺杂和实现电子自旋调控提供了广阔的舞台。本项目拟将分区掺杂理论拓展应用到自旋电子学领域，着眼于多种石墨烯双层量子结构的分区磁性掺杂。通过分区掺杂方式引入一系列磁性杂质(如具有d电子壳层结构的过渡金属等)来研究体系的结构形貌、电子和磁性质，以及由磁性掺杂带来的自旋极化调控规律。建立分区磁性掺杂的自旋能带结构图谱，揭示掺杂体系磁性、自旋极化率和有效调控方式之间的关联。我们的研究有望在双原子层这一极限尺度内发现新型的低维铁磁性半导体薄膜材料，为制备新型碳基自旋电子器件奠定理论基础和提供量子设计指导。

本项目研究着眼于多种石墨烯量子结构的分区掺杂，主要运用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，重点研究了通过分区掺杂方式引入杂质后体系的结构形貌、电子和磁性质。项目研究取得了多项研究成果，共发表SCI论文9篇。在项目开展过程中，积极开展了国际交流与合作，多次受邀参加了国内外学术会议，同时注重了研究生的培养。. 针对双层石墨烯的分区掺杂，我们的研究表明在仅有两个原子层厚度的极端薄层内，通过上层石墨烯中金属原子的掺杂能实现下层石墨烯中载流子浓度和电子迁移率的双重提高。金属原子在上层石墨烯中向下层石墨烯层扩散时存在势垒，这将阻碍其向下层石墨烯层的进一步扩散。进一步研究表明，上述结果还适用于由六角氮化硼和石墨烯构成的异质双层系统，并发现在六角氮化硼和石墨烯异质双层系统中的分区掺杂发生了从半导体向金属性质的转变。取得的理论成果为在双原子层半导体系统中实现超薄碳基高迁移率晶体管奠定了基础。. 对于石墨烯纳米条带中的分区掺杂，我们研究了边缘吸附碱金属K原子的结构和电子性质；发现在锯齿形石墨烯纳米条带中，碱金属K原子的边缘吸附将抑制条带两边缘的磁性；若非对称的让碱金属K原子在两边吸附，体系将由纯锯齿条带时的反铁磁性向吸附K原子后的铁磁性转变。该种由碱金属原子边缘吸附的纳米体系将在纳米电子器件中有着潜在的应用。单层六角氮化硼具有与单层石墨烯相似的六角晶格，被称为类石墨烯的二维原子晶体。我们研究了含空位点缺陷的二维六角氮化硼的电子和磁性质，并比较研究了3d过渡金属Mn原子吸附与嵌入相应空位的电子和磁性质。发现Mn掺杂对含空位的二维六角氮化硼体系的电子结构具有显著的调制作用。. 此外，我们还开展了下述方面的研究，包括边缘氢化和非氢化的石墨烯纳米条带的结构和电子性质，一维碳原子链在Ni(111)表面上的初期生长机制，过渡金属Ni晶体与Ni（111）表面的结构和电子性质，超细(2,2)碳纳米管赝势方法和全电子方法的比较研究，碳原子链半嵌入碳纳米管的电子输运性质等，发现了多项有意义的成果。