基于石墨炔的无掺杂全碳基纳电子器件的自旋输运性质研究

All-carbon nanodevices have attracted considerable attention for their possible applications in spintronics, due to the ballistic quantum transport and remarkable long spin-coherence time and distance in carbon-based nanostructures. Based on new allotropes of carbon, graphyne families, the program calculates the structure and electronic properties with the first principle, and selects the proper nanoribbons to design non-doped all-carbon heterojunction and tunnel junction. Then we proposes the theoretical quantum models to analyze their mechanism of quantum transport, using a method of spin density functional theory combined with nonequilibruim Green’s function approach. We investigate the spin transport properties, the interface effect and thermo electric effect of the structures; we discuss the effect of interface structure in microprocess of spin transport; we explore the applications on spin filter, spin field effect transistor, spin valve, negative differential resistance and spin caloritronics. The achieved theoretical model of graphyne based non-doped all-carbon nanodevices, will provide theoretical guidance for the preparation of all-carbon nanodevice in experiment, and promote the development of carbon based spintronics.

碳基纳电子器件的自旋弛豫时间长、自旋扩散长度大，具备量子弹性输运性质，在自旋电子学上有重要的应用前景。本项目基于新型全碳材料石墨炔系列结构，用第一性原理方法计算其结构与电子性质，并选取适合的纳米带，设计多种无掺杂全碳基界面，然后抽象出量子理论模型，采用非平衡态格林函数与密度泛函理论相结合的方法，分析其量子输运机理，对结构的自旋输运性质、界面效应以及热电效应进行研究。探索界面结构对自旋输运微观过程的影响，探索无掺杂全碳基结构在自旋过滤器、自旋场效应管、自旋阀、负微分电阻和热激发自旋电子学器件的应用，得到基于石墨炔的无掺杂全碳基纳电子器件理论模型，为实验制备碳基纳电子器件提供理论指导，促进碳基自旋电子学的发展。

石墨烯材料以其卓越的电学性质吸引了人们广泛的关注，并得到迅速的发展。许多基于石墨烯材料的自旋电子学器件在理论研究和实验制备中都已成功被实现，包括石墨烯场效应管、二极管、自旋过滤器、自旋阀以及巨磁阻等。而石墨炔这种碳的同素异形体，由于其结构和碳原子杂化方式的多样性，为碳基纳电器件的发展也带来了更多可能性。本项目主要采用密度泛函理论结合非平衡态格林函数的方法，研究了基于α型石墨炔、石墨烯和双层石墨烯的全碳基纳电器件。.本项目计算了zigzag边缘的α型石墨炔纳米带的电子性质，发现其能够发生自旋极化，基态是反铁磁性的，在磁场中可以被激发成铁磁性，性质与石墨烯非常相似。同时构造了基于zigzag边缘α型石墨炔纳米带的全碳基纳电器件，计算其输运电流、导电率、自旋极化率和热激发自旋电流等性质，发现了其中突出的自旋过滤和自旋塞贝克效应。由于α型石墨炔纳米带费米能级附近的π带与π*带电子波函数对称性不同，π带电子波函数为偶对称，π*带为奇对称，只有当左右电极的能带对称性匹配时，才能发生电子的跃迁。当我们给α型石墨炔纳米带加上偏压后，由于费米能级的移动，会使左右能级对称性的匹配度发生变化，得到有用的平台状输运特性曲线。利用输运曲线的特点我们还提出其在双向自旋二极管以及分子尺度的方波信号转换器上的应用价值，提出α型石墨炔对推动碳基集成电路发展上的重要意义。.本项目还研究了基于双层石墨烯和FeN4分子嵌入石墨烯的功能器件。通过对器件结构的设计和优化，我们在几种石墨烯器件中都观察到了非常明显的自旋极化现象和负微分电阻现象。对于双层石墨烯器件，层与层之间的堆积方式和边缘钝化形式对结果影响较大，其中最大的自旋极化率能够达到80%，负微分电阻的最大峰谷比达到200%；对于FeN4分子嵌入的石墨烯纳米带，铁原子上平行与反平行的自旋状态对结果影响较大，平行态自旋向下的电流负微分电阻峰谷比可达到580%。