外场调控下不同结构硅(锗)烯系统中自旋热电效应研究

With the increasing integration of electronic components, the impact of power consumption and heat dissipation on device performance becomes more obvious. The control and reuse of heat are important for existing and emerging electric technologies, including spintronics. The spin thermoelectric effect introduces a new method to generate and control spin polarization by tuning the thermal bias and provides an experimental basis for the application of spin caloritronics device. This project will theoretically study the general rule of spin thermoelectric effect in thel silicene (germanene) system. With the help of novel physical property induced by the buckled two-dimensional hexagonal honeycomb structure, the band structure of edge states can be modulated by applying the electric field, exchange field or microwave field to the different region of silicene (germanene). Moreover, this project will reveal the origin of spin dependent Seebeck effect and spin Nernst effect in the silicene (germanene) based nanoribbon (dot,ring) structure and silicene-germanene mixed superlattice system. Fully consider the effect of electron interference, phonon interference, phonon scatter and phonon drag on the thermal conductance and spin thermopower. We will explore effective methods to improve the spin thermoelectric transfer efficiency mainly by modulating electron transport and phonon transport.

随着电子元件集成度的提高，功耗及其相关的散热问题对器件性能的影响愈发明显。如何控制热耗散并对热能加以有效利用，对包括自旋电子学在内的未来电子技术有着重要意义。利用温度差产生自旋流（或自旋压）的自旋热电效应的发现为电子自旋的操控提供了新的手段，同时也为自旋在热电器件中的应用奠定了实验基础。本项目理论研究硅（锗）烯系统中自旋热电效应产生的一般规律，借助硅（锗）烯蜂窝状起伏结构所导致的新奇物理性质，通过对系统的不同区域施加不同方向（强度）的交换场、电场或微波场，调节体带隙中螺旋边缘态的能带结构，揭示多端硅（锗）烯纳米带（点、环）结构以及硅烯、锗烯混合的超晶格结构中自旋相关塞贝克效应和自旋能斯特效应产生的充分必要条件。充分考虑不同温度下，电子干涉、声子干涉、声子散射以及声子曳引效应对硅（锗）烯系统中热导和自旋热电势的影响。重点从电子输运调控和声子输运调控两方面，探索提高自旋热电转换效率的有效方法。

在国家自然科学基金青年基金项目的资助下，我们按计划对硅（锗）烯等低维系统中的热自旋输运行为开展了研究。三年来研究进展顺利，已完成预期的研究目标，本项目的主要研究成果均以论文的形式发表在国内外物理学刊物。我们系统地研究了锗烯和锡烯纳米带中局域非共线性交换场调控的自旋热电效应、局域交换场和电场调控的自旋过滤效应、二硫化钼纳米带中电势垒调制的自旋极化输运、双能级量子点系统中太赫兹光场调控的自旋热电势和自旋流，明确了不同方向非共线性局域交换场、电场、磁场、太赫兹光场对温度梯度驱动自旋电流的影响。系统研究了四端石墨烯和量子点系统中的自旋和电荷能斯特效应，解释了多端系统中干涉效应对自旋塞贝克系数和自旋能斯特系数的促进原理，讨论了系统结构对硅烯和量子点系统自旋热电效应的影响。研究了应变作用对单原子层材料结构和磁各向异性的影响。此外，基于锗烯和锡烯我们还在理论提出了局域交换场调控的自旋热电发电器件和自旋二极管，为实际应用提供了理论模型和依据。