硅（锗）烯自旋逻辑门器件的理论研究与设计

The design of logic circuit characterized by electron spin is an important direction of development in application of digital and intelligent logic devices. As a two-dimensional carbon group system like graphene, silicene and germanene have been discovered both theoretically and experimentally. Their electronic structures and spin transport properties are even better than those of graphene. Based on previous research, this project is to study electronic structures and spin transport properties of silicene and germanene by the method of density functional theory (DFT) combined with the non-equilibrium Green's function (NEGF) and then to design spintronics devices with logic gate functions. Various factors that affect spin transport properties, such as defects, doping and adsorption, interlayer coupling, external electric field and magnetic field will be taken into account. The key point of our work is to understand the mechanism of these factors in affecting spin transport, to search for effective regulation and control methods of silicene and germanene spin logic gate devices and to figure out corresponding design schemes. Our goal is to fully understand spin transport properties of silicene and germanene and then find the effective regulation and control upon spin signals by factors which influence spin transport of silicene and germanene internally and externally. We aim at providing theoretical foundation for design and fabrication of spin-transport-based logic gate devices in order to promote the research and application of molecular spintronic devices.

利用电子自旋特性设计逻辑电路是未来数字化和智能化逻辑器件的一个重要发展方向。硅烯和锗烯作为与石墨烯同属于碳族的二维材料体系已被实验和理论发现，它们所表现出的电子结构与自旋输运性质甚至优于石墨烯。本项目拟以二维硅（锗）烯为研究对象，主要采用密度泛函理论（DFT）与非平衡格林函数（NEGF）相结合的方法，研究硅（锗）烯的电子结构和自旋输运特性，并在此基础上进一步设计具有逻辑门功能的自旋电子学器件。考虑能够调控材料自旋输运特性的各种因素，如材料内部的缺陷、掺杂、吸附、层间耦合及外部电场、磁场等，理解这些因素在自旋输运过程中的作用机理，重点探讨硅（锗）烯自旋逻辑门器件的有效调控方法及合理的设计方案。目的在于弄清硅（锗）烯的电子自旋输运性质，揭示影响材料自旋输运特性的内外部因素对自旋信号的有效调控方法，为基于自旋输运特性的逻辑门器件的设计与制备提供理论指导，推动分子自旋电子学器件的研发和实际应用。

要实现高速、低能耗、可重复操作的自旋逻辑器件，寻找合适的自旋输运材料是目前面临的一个重大挑战。与石墨烯同属于碳族材料的硅烯、锗烯等2D材料体系，已经从理论和实验上证明它们具有与石墨烯相类似的结构性质。但是，起伏的二维结构使得硅烯、锗烯等拥有石墨烯所不具有的一些优异性质。.我们主要采用密度泛函理论（DFT）与非平衡格林函数（NEGF）相结合，以及紧束缚近似等方法，研究硅（锗）烯等2D材料的电子结构和电子、自旋输运特性，分析其电子结构和拓扑特性与晶格畸变的关系，设计具有简单逻辑门及光开关等功能的电子/自旋电子学器件等。.提出了基于锯齿形硅烯纳米带的具有不同的边缘加氢线缺陷的异质结纳米器件。对 penta-stanane (p-SnH) 和fluorinated penta-stanane (p-SnHF) 两种可能存在的结构进行了理论设计。分别考虑了能够调控2D材料体系中电子自旋输运特性的各种因素，如材料内部的缺陷、掺杂、吸附、层间耦合及外部电场、磁场等，对这些因素在电子自旋输运过程中的作用机理重点进行了探讨。发现这些内外在因素对器件自旋输运也是显而易见的，如缺陷会破坏硅烯纳米带的磁有序，影响其自旋极化，硅烯纳米带可以被调节成反铁磁金属、铁磁金属、铁磁和反铁磁半导体等。发现在β硼烯不仅存在三个具有超高费米速度的狄拉克锥，同时还有由三条线性色散的能带交叉形成的开放以及闭合两种类型的节线。分析探讨了Lieb晶格的电子结构和拓扑特性与晶格畸变的关系证实了在两种已经合成的二维共价有机网络（sp2C-COF 和sp2N-COF）中可以实现畸变的Lieb晶格和能带。另外，我们还研究了单层SnX和SnX2以及由它们构成的双层垂直异质结（VHT）SnX/SnX2的电子结构及其光催化水解特性，单层α/β-In2Se3的可控磁性相转变，硅烯纳米带的边界态自旋、磁性以及输运性质的调制原理及机制，二芳基分子器件的输运性质和开关行为，等等。.项目的顺利实施，揭示了硅烯、锗烯等2D半导体材料独特的电子、自旋结构及输运性质，设计了一些简单的逻辑器件，推动了分子自旋电子学的发展。