基于场调制的硅烯纳米带自旋器件的设计及电荷输运机理研究

Based on the study of the Silicene nanoribbons，We will design a field-effect spin devices with novel structure and high performance by first-principles calculations and the fundamental principle of electronics. And also, we will study of field-effect spin devices as follows: 1) using the first-principle calculation and non-equilibrium Green’s function, we will investigate the spin transport properties of Silicene nanoribbons which have been Chemical or physical modulation, and explore the physical mechanism for the spin transport. The mechanism of spin transition,spin polarization, and magnetoresistance will be discuss in detail. To looking for the best design of field-effect spin devices. 2) based on the suitable Silicene nanoribbons，a field effect transistor will be design, and the most important Performance parameters also be calculate with the gate lenth changed by first-principles calculations and the fundamental principle of electronics. By theoretical design and calculation, we will understand the fundamental physical process deeply for the spintransport in field-effect spin devices, and the corresponding theoretical model will be obtained. Moreover, we will proposed a design scheme for the high performance field effect transistor.

本项目以硅烯纳米带为研究对象，从第一性原理和电子学的基本原理出发，设计并制造出结构新颖，性能优越的场调制自旋器件。并从两个方面对其展开研究： 1)采用第一性原理计算和非平衡格林函数方法，计算通过各种可行的物理和化学手段调制后的硅烯纳米带场调制器件的自旋输运性质， 深入讨论其内在的自旋传输机理，详细探讨器件中的自旋翻转机理、 自旋极化率以及磁阻现象等。寻找最佳的场调制自旋器件的设计方案。2)在前面的研究基础上，选择合适的改性硅烯纳米带构建场效应晶体管，在第一性原理的计算并结合电子学相关方法下，计算并深入研究不同珊长下场效应管器件的截止频率、漏极电流、 低频跨导等衡量场效应管性能的重要参数。通过理论设计和计算，我们将充分理解场调制硅烯纳米带自旋器件的自旋输运相关的基本物理过程，得到相应的理论模型，并提出性能优越的自旋场效应管器件的设计。

本项目从低维材料的结构特征，电学及光学的基本原理出发，设计出结构新颖、性能优越的新型自旋纳米器件及光学器件。深入探讨各种调制手段对器件特性的影响。通过理论模拟与分析，理解其内在物理机理。这些研究将为实际的器件设计提供理论依据。.本项目通过三年的研究，按项目计划执行各项研究任务，完成了各项研究目标，取得的主要研究要点如下.1.研究了类石墨烯纳米材料如硅烯，锗烯，硼氮管等一维材料掺杂，边缘构型，缺陷对电子及输运性质的影响。揭示掺杂，边缘缺陷等调控电子结构机制，探讨了边缘不同氢原子掺杂的锗烯纳米带异质结输运性质，构建了基于异质结的纳米器件，分析了其自旋极化及整流效应产生的机理。2. 研究了氮化硼纳米管的掺杂效应，发现碳原子及氧原子的不同位置掺杂可以使得氮化硼纳米管从绝缘体到半导体到导体的转化，在此基础上构建了基于氮化硼纳米管的异质结，其具有较好整流及自旋极化性质，为以后进一步构建纳米自旋功能性器件提供了思路。3. 根据国内外新型纳米材料的发展趋势，对具有潜在应用价值的纳米材料进行了研究。首先对最新型纳米材料一维的金刚石碳纳米线（DNT）的电学特性进行了探索。明确了掺杂及缺陷对DNT电学特性的调制作用，分析了CNT/DNT的输运机理，探索了DNT对气体分子的吸附作用。4. 设计了基于钨的曲环和硅纳米棒的新型纳米光学器件，通过模拟研究发现其对与可见光具有良好的吸收特性，在热成像，排放控制，太阳能收集等方面都有着极为广阔的应用前景。执行结果主要反映在已经发表的6篇论文中。其中6篇为SCI收录，其中4篇论文标注基金资助（No. 61504171）。