磷烯纳米结构的自旋输运性质及其器件设计的理论研究

Spintronics studies the control and utilization of electron spin degrees of freedom. The introduction of spin manipulation creates new functionalities to traditional electronic devices. In particular, for the phosphorene nanostructres with intrinsic semicnductor properties and ultrahigh carrier mobility, since the ultra-high carriers mobility and weak spin scattering, the long spin relaxation time and coherence length of phoophorene can produce conceptually new spintronics devices based on quantum control. In this proposal, we focus on the phosphorene nanomaterials, by using the first principle calculational method, we will study the physical mechanisms of the spin transport in the phosphorene nanomaterials, which modulating by physical or chemical methods such as structure, doping, stress, electric field, and so on. We will also explore the intrinsic relations between the spin-splitting and charge transport, and present the modulating methods for phosphorene nanostructures, which have outstanding performances both in charge transport and spintronic properties. Meanwhile, based on the results of the theoretical predictions combined with the fundamentals of the electronics, we will also design novel phosphorene-based nano-devices with perfect performance for spintronics. Furthemore, we will simulate the process of the spin transport for the phosphorene spintronic nano-devices, and study their spin injection, spin transition, spin relaxation, and so on. By theoretical designs and calculations of the proposal , we will understand the fundamental physical process deeply for the spin transport in phosphorene nanostructrues, and the corresponding theoretical models will be obtained. Moreover, we will propose design schemes for the high performance spintronic devices, and can provide the theoretical basis for the development of the practical phosphorene-based spintronic nano-devices.

研究电子自旋的操控及利用，使传统的电子学器件增加了新的功能。特别是对于具有本征半导体特性和优异电荷输运性质的磷烯纳米结构而言，由于极高的载流子迁移率和较小自旋散射，导致很长的自旋弛豫时间和相干长度，将可能产生全新的基于量子调控的自旋电子学器件。本项目中，我们将通过第一性原理计算，系统地研究结构、掺杂、压力和电场等物理或化学调制手段对磷烯纳米结构自旋输运性质的影响，并深入探索自旋劈裂与电荷输运的内在关系，提出兼具优异电荷输运能力和自旋特性的磷烯纳米结构的调制方案；同时，还将根据理论预测结果，结合电子学的基本原理，设计出性能优越的磷烯基纳米自旋器件，模拟器件的自旋输运过程，并深入探讨自旋注入、自旋翻转和自旋弛豫等现象。通过本项目研究，我们将充分理解磷烯纳米结构中自旋输运的基本物理过程，得到相应的理论模型，并提出性能优越的自旋器件的设计方案，为新型磷烯基自旋纳米电子器件的实际研发提供理论依据。

二维半导体材料磷烯，由于具有较弱的自旋散射作用和极高的载流子迁移率，可导致很长的自旋弛豫时间和自旋相干长度，从而预期在自旋电子学器件的设计方面具有十分显著的优势！本项目采用基于第一性原理结合玻尔兹曼输运计算的理论方法，对磷烯纳米结构中自旋输运相关问题展开理论模拟与计算，系统地研究了结构、掺杂、压力和电场等各种可行的物理或化学修饰手段对磷烯纳米结构自旋劈裂和自旋输运性质的影响，深入探讨磷烯基纳米器件的自旋注入、自旋输运以及自旋弛豫等现象的物理机制，并从理论上设计出高自旋过滤效率或高磁阻率的磷烯基自旋纳米器件。.项目通过四年的深入研究，取得了一些重要研究结果：改进和完善了载流子输运理论及模拟计算方法；深入阐明了磷烯纳米结构的自旋劈裂机理，提出了有效的性能调制方案；设计多种类磷烯纳米结构，并揭示了其中自旋输运的物理规律。研究发现，横向电场可以有效地调制扶手椅型磷烯的边缘极化效应；电荷掺杂可以使磷烯纳米带边缘态密度产生明显的聚集效应，从而导致边缘态发生强烈的自旋极化；边缘吸附原子调控可以使纳米带产生明显的自旋过滤效应，获得纯自旋流。此外，还发现在蓝磷烯和二硫化钼的双层范德华异质结中，嵌入杂质原子后，杂质态在费米能级处会发生自旋劈裂，从而使体系具有明显的磁矩；并发现硼磷烯纳米片具有非常稳定的结构特征和极高的载流子输运性质，预计在制备高频纳米电子器件方面具有重要的应用潜力。. 通过本项目的系列研究工作，我们形成了系统的理论研究方法，这些研究方法将可以直接应用于相关领域的理论和实验研究工作，将为本领域的研究发展起到积极的促进作用。此外，本项目提出一些具有优异自旋输运性质的磷烯基自旋纳米器件的设计方案，并揭示了其中的自旋输运机理，这些研究结果将为纳米电子学和自旋电子学器件的实际研发提供重要的研究参考。