杂化调控的石墨烯自旋电子器件的原理、设计与稳定性的理论研究

石墨烯是一种具有广泛应用前景的自旋电子器件材料，寻找石墨烯磁性结构并设计石墨烯自旋电子器件是石墨烯应用研究中的一个重要方向。本项目主要基于第一性原理计算方法、第一性原理分子动力学方法和非平衡态格林函数方法，理论研究缺陷（包括点缺陷和线缺陷等）、化学吸附（吸附氢、氧、氨基、羟基等）和形成异质结构等多种物理化学手段调控石墨烯磁性的机理，寻找与设计新的石墨烯磁性结构（如石墨烯内嵌纳米带结构、石墨烯内嵌纳米碎片结构、多层复合结构等）。理论研究其稳定性、外界环境（基底、电场）对其磁性的影响以及自旋电子输运行为。为实验制备新型石墨烯自旋电子功能器件提供一些理论依据和指导。

本项目按计划进行。主要研究目标是基于第一性原理电子结构等计算方法，理论研究石墨烯与类石墨烯材料中通过杂化等手段调控材料磁性的原理，设计新型石墨烯杂化结构和自旋电子器件，探索材料的稳定性以及外界环境对其磁性和自旋输运行为的影响，为实验研究和制备石墨烯与类石墨烯二位材料自旋电子器件提供理论依据。在项目的资助下，我们在拟开展研究的几个方面取得了一些重要的进展。具体包括：（1）以石墨烯与类石墨烯二位材料为对象，通过理论揭示了非金属掺杂、化学修饰对材料电子结构和磁性的调控机理，为二维材料的性能调控提供了理论依据；（2）基于第一性原理电子结构计算，理论揭示了石墨烯与类石墨烯材料电子结构与磁性对外界应力的响应规律，为力学调控石墨烯与其他二维材料的性能提供了理论依据；（3）理论设计低维双极磁性半导体材料，实现材料的自旋极化电场调控；（4）理论设计了一系列新型二维单层材料及其复合材料，通过界面调控和掺杂调控材料的电子结构与性能，获得了室温磁性等优异的性能。项目研究成果主要以学术论文形式发表。在J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Nanoscale, J. Phys. Chem. Lett., J Phys. Chem. C等期刊上发表学术论文34篇。在国内外学术会议上做与本项目相关的邀请报告8次。项目执行期间研究组毕业博士研究生2名，硕士研究生2名。目前在读博士研究生5人，硕士研究生5人。