无序对石墨烯体系中电子结构和量子效应的影响

了解石墨烯中电子态性质对量子效应实施完全调控至关重要。与"凝聚态物质中的量子态与量子效应"直接相关，在本项目将结合实验问题开展相关理论工作。运用数值计算对材料的无序对电子结构的改变进行分析，集中研究杂质、缺陷和吸附原子等对石墨烯能带结构的影响，探讨表面分子吸附、无序和应力等因素对石墨烯电子结构的影响机理，并对石墨烯和石墨烯条中的电荷输运、光学性质等方面的进行理论分析和计算。此外，我们还将检验Landauer-Buttiker公式在石墨烯的量子输运中的适用性和利用2+1维量子场论的描述探索石墨烯Dirac费米子手征对称性破坏下的反常行为。

获资助以来我们在石墨烯和低维系统的电子结构，量子输运，及光学性质研究等方面进行了细致的研究，并对碳基量子器件的实现做了相应的探索。在石墨烯基本性质的研究方面，就磁场下有限石墨烯带不同边构型的边缘态做了分析，计算出两类特殊边构型附近的电流分布特征，表明总霍尔电流与边构型无关的整体特性。对霍尔区石墨烯纵向与横向电导以及西贝克与能斯特系数间导数关系进行了实验和理论研究。通过分析强电场和磁场下锯齿边石墨烯带的电荷重新分布，自洽讨论了对霍尔效应的影响，计算了相应的非线性霍尔电流。在自旋轨道耦合效应对石墨烯的影响研究中，通过光电导的计算分析了由赝自旋和真正自旋在晶格对称性中诱导的能级劈裂而引起的共振响应，研究表明自旋轨道耦合能够导致很强的THz响应。自旋轨道耦合破坏了磁场下石墨烯磁能带结构的电子-空穴对称性，使得霍尔电导呈现出与无自旋轨道耦合单层和双层石墨烯所不同的结构特征。作为应用，我们利用门电压对石墨烯费米面的调制，提出了利用石墨烯构建调控横向响应的一种可行机制。基于第一性原理计算，发现Klein边界石墨烯纳米带的局域边缘态呈现为铁磁态。可控地打开能隙并保持较高的迁移率是当前石墨烯研究重要课题之一。我们计算在金属单面吸附使得多层石墨烯能隙打开，通过非平衡格林函数方法和密度泛函方法计算单门多层石墨烯场效应管中零偏压时的透射谱，展现了输运能隙的存在。为了对墨烯射频场效应器件提供理论指导，我们构建亚10nm 石墨烯射频晶体管的进行相应的石墨烯器件模拟。第一性原理的量子输运模拟发现亚10纳米石墨烯晶体管截止频率依然随沟道长度减小而反比增大，最高可达几十太赫兹。考虑到至今实验还无法实施证明理论所预言的石墨烯中镜像安德烈夫反射现象，结合自旋轨道耦合系统自旋极化带的交叉点附近的行为，分析表明费米面的变化，给出能态密度呈一维特征的新量子态。考虑反射过程中转换出射空穴态和入射态电子间群和相速相对取向的变化，具体地分析了呈现镜像安德列夫反射的原因。指出在低密度和强耦合极限下电子出现单螺旋度占据的情况，还将出现电子发生复径反射。在双层石墨烯和超导构成的异质结我们具体展现了电子的复径反射和空穴的镜向反射。此外，采用全量子主方程来研究穿梭振子在量子相干输运中的效应。在两微波场作用下耦合三量子点系统的电子输运中，给出量子调控在微电子 Lambda-型能级结构实现电磁诱导的透明度和暗态等量子现象。