硅烯纳米结器件中的电子输运调控研究

Silicene is a layered material with a graphene-like honeycomb structure composed of silicon atoms. Because of its low-buckled structure and strong spin-orbit coupling, silicene exhibits to be a topological insulator, and to undergo topological phase transition tuned by external electrical field. The unique electronic structure as well as good compatibility with traditional silicon devices makes silicene be potential candidate of the next-generation nanodevices. Therefore, it is very important to understand the transport mechanism and control the transport behavior of nanodevices based on silicene. The present project focuses on electronic transport in silicene nanodevices by adopting tight-binding model and using nonequilibrium Green’s function approach and Buttiker’s as-transport theory. Firstly, we study the electronic transport in silicene nanoribbons by considering topological phase transition tuned by external electrical field. Secondly, we study the edge state in silicene nanoribbons, taking topological-phase-transition effect controlled by exchange interaction into consideration. Finally, we investigate the control of electronic transport and rectification effect in various silicene nanodevices based on band-mixing resonance effect. The project aims to reveal the mechanism of controlling transport properties in silicene nanodevices and provide the theoretical basis for the design and application of silicene circuit.

硅烯是由硅原子组成的类石墨烯蜂窝型层状材料。由于体系弱翘曲结构和强自旋轨道耦合作用，硅烯表现出拓扑绝缘体性质，并能受外场调控而发生拓扑量子相变。独特的电子性质及与传统硅材料器件较好的兼容性，使得硅烯有望成为下一代纳米电子器件的候选者。因此，准确理解硅烯纳米电子器件中的输运机制进而调控其行为显得尤为重要。本项目采用紧束缚近似模型、非平衡格林函数方法和Buttiker交流输运理论，研究硅烯纳米器件中的电子输运问题。首先考虑弱翘曲结构和自旋轨道耦合作用，研究外场对硅烯纳米条带中拓扑相变的调节和输运性质的影响；其次研究交换场对硅烯纳米条带中电子边缘态的影响和拓扑相变效应，进而调控电子输运；最后，在各类硅烯纳米结体系中考虑各端口之间的能带混合和共振效应，实现硅烯纳米结器件中的交流输运调控和整流效应。本项目的研究旨在揭示硅烯纳米器件中电子输运调控机制，为硅烯纳米电路的设计和应用提供理论参考和依据。

硅烯是由硅原子构成的单层类石墨烯材料，有较强的自旋轨道耦合作用而表现出拓扑绝缘体性质，并能受外场调控而发生拓扑量子相变。本项目在考虑硅烯自旋轨道耦合和弱翘曲结构的基础上，基于紧束缚近似、格林函数方法和交流输运理论，研究不同构型的硅烯纳米结器件的电子能带结构、动态电导、局域态密度等输运性质，并进一步探究外电场、光场引起的拓扑量子相变对输运性质的调控作用。主要的研究结果如下：一、研究了各类基于硅烯的纳米器件的电子输运性质，实现了外电场对纳米器件输运性质的调控。在不同结构构型的类硅烯纳米系统，如T型、交叉型、H型、双弯曲结构以及金属电极异质结中，强自旋轨道耦合相互作用引发了具有拓扑保护的边缘态，相应的实空间局域电子态密度集中分布在纳米结构的边缘，建立电子密度流输运路径。尽管体系存在界面散射，动态电导对于体系结构构型的变化具有拓扑保护不变性。通过施加外电场可以诱导纳米系统发生量子相变成为能带绝缘体从而调控动态电导等输运性质。二、在考虑外加光场的情况下，研究了硅烯纳米器件的自旋极化输运性质，实现了光场对输运性质的调控。考虑外加较强的圆偏振光，硅烯纳米条带系统转变成为一个量子霍尔绝缘体，自旋朝下的子能带具有能隙，自旋朝上的子能带为无能隙边缘态，即自旋极化输运，极化率接近100%。局域电子态密度分布中，自旋朝上的电子在纳米系统的两个边缘朝相反方向传输。由于边缘态受拓扑保护，自旋极化输运对于纳米系统的尺寸变化具有鲁棒性。三、研究了类硅烯结构的具有六角晶格的拓扑晶体绝缘体，初步分析了体系的拓扑相，并基于此计算了体系的动态电导。提出了描述六角晶格的拓扑晶体绝缘体的紧束缚哈密顿模型，并基于此计算了能带结构及对应的纳米体系的电导。以上这些研究结果希望能为未来纳米电子器件和低能耗纳米电路的设计和研究提供一定的理论参考。