局域梯度磁场调制下石墨烯的输运性质研究

Because of the novel physical properties, graphene has become hotspots of the condensed matter, nanotechnology and nanomaterials. It is one of the important research fields to control the electron transfer behaviour of graphene. In this work, we will investigate the electronic structures and transport properties of graphene nanoribbons under a local gradient magnetic field, which can be obtained by fabricating a ferromagnetic grating on the surface of a sheet of graphene.The local gradient magnetic field applies a local Lorentz force to the electrons in graphene and then changes their trajectory. Firstly we will calculate the profiles of magnetic fields at the plane of graphene. And secondly, the electronic structrues will be studied using the finite-difference method. The energy bands of graphene nanoribbons under a local gradient magnetic field will be obtained. Based on transfer matrix method, we will finally study the electron transport properties of graphene nanoribbons and will analyse the physical mechanism in details. This research may contribute to promote the understanding of electronic behaviours in graphene nanoribbons and to provide theory evidence for graphene electronic components.

由于表现出许多新奇而有趣的物理性能，石墨烯迅速成为当今的研究热点，而调控它的电子行为是其中一项重要的研究内容。本项目围绕局域梯度磁场对石墨烯纳米带电子性质的调控展开研究：首先，构建局域性好、梯度大的调制磁场的计算模型，并确定模型的结构参数对调制磁场的影响；再利用有限差分方法构造石墨烯体系在磁场影响下的哈密顿矩阵，分析其电子结构和波函数的局域性；因为局域梯度磁场会对石墨烯中的电子施加洛仑兹力作用，改变电子运动轨迹，从而改变电子的输运性能，所以，本项目的第三个的内容是采用传输矩阵方法研究电子输运性质，深入探讨影响石墨烯纳米带电子行为的因素，确定调控电子行为的条件，为石墨烯电子元器件的制备及相关实验提供理论依据。

用磁场来调控二维电子系统的电子性质是一种极为有效的方法。本项目中，我们采用传输矩阵和格林函数方法，结合紧束缚哈密顿量，理论上研究了在调制磁场的作用下，单层石墨烯和2DEG等二维材料的电子性质。调制磁场由二维电子系统表面永磁材料条形阵列产生。利用经典的静磁学方程，很容易计算出调制磁场的大小及分布。我们首先利用有限差分方法构造石墨烯体系在磁场影响下的哈密顿矩阵，分析其电子结构和波函数的局域性。研究发现体系具有丰富的能带结构。同时扩展态，居间态和局域态并存，这和没有磁场存的情况完全不同，也将导致电子输运性质的变化，我们对巨磁阻效应的研究就证明了这一点。当两个磁性条带平行（P）和反平行(AP)磁化时，二维电子体系的输运谱截然不同，磁阻比率可达到10^6。我们也对没有磁场存在时，缺陷石墨烯纳米带的电子输运性质进行了研究。结果表明，缺陷的存在会导致众多的电子束缚态的出现。而这些电子束缚态会阻碍电流流动，从而降低系统的电导。以上的研究可能对相关的实验工作提供理论依据。