石墨烯中自旋相关的边缘态及其输运调控机理及应用的研究

Since experiments reported that in the mono-graphene film doped by Ni (111) and Au the strength of Rashba spin-orbit coupling can reach 225meV, the study of spin-orbit coupling caused a great deal of interest. Although the Rashba spin-orbit coupling can produce spin precession, the attenuation of the transmission is inevitably caused.Recently, study found that the in-plane effective exchange field can not only produce the spin precession, but also induce a spin-dependent Klein tunneling. So in this study, the tight-binding theory, the non-equilibrium Green's function method and the transfer matrix method are introduced to study: the roles of in-plane efficient exchange field and spin-orbit coupling in modulations of spin-dependent edge state and edge-state state transport in graphene-based micro-nano structure. In addition, a great advantage of graphene nanostructures is that its electronic properties is closely related to the edge structure, so further the modulation of edge-state transport is studied in different graphene nanoribbon. The scientific significance of this study is the in-plane effective exchange field, the spin-orbit coupling and structure are considered together. This can be more comprehensive and systematic to study the spin-dependent phenomena, thus reveal the physical mechanism of spin modulation and find the strange spin-dependent phenomenon, which can lay a theoretical foundation for the future design of excellent spintronics devices.

自从实验报道石墨烯掺入Ni(111)和Au 可获得225meV 的Rashba 自旋轨道耦合后，自旋轨道耦合的研究就引起人们极大的兴趣。尽管Rashba 自旋轨道耦合能够产生自旋进动，然而同时导致体系透射衰减。最近研究发现面内有效交换场不仅能产生自旋进动，还能诱导自旋克莱茵隧穿。因此本研究以紧束缚能带理论为基础采用非平衡态格林函数和传输矩阵方法研究：面内有效交换场和自旋轨道耦合等对石墨烯自旋相关的边缘态及边缘态输运的调控；另外，石墨烯结构的一个很大优点是它的电子性质与其边缘结构有密切关系，因此进一步研究不同边界的石墨烯纳米带中自旋相关的边缘态输运的调控。本研究的科学意义在于把面内有效交换场、自旋轨道耦合与结构结合起来考虑，这样能更加全面系统地进行研究，进而揭示自旋调控的物理机理以及发现奇异的自旋现象，为今后设计优良自旋电子学器件奠定理论基础。

石墨烯基的各种微纳材料无论在理论和实验上都逐渐引起了人们广泛的兴趣，然而在石墨烯基材料的极化传输和边缘态输运方面还有很多基础问题值得去探讨。我们研究了在考虑应力以及Rashba自旋轨道作用的铁磁石墨烯体系里的自旋极化现象。研究显示由于应力以及Rashba自旋轨道的作用，铁磁石墨烯能谱里出现了一个自旋相关的能隙。如果费米能落在这样的自旋能隙里，体系会表现出完全的自旋极化现象。如果Rashba自旋轨道耦合与磁矢势联合作用，应力石墨烯中会出现自旋极化以及valley极化现象。进一步如果铁磁石墨烯超晶格结构受到应力的调控，则在自旋依靠的狄拉克点附近会出现高的自旋极化。而且在铁磁石墨烯双结中，应力能够使得体系会出现自旋以及谷能隙，结果体系会同时具有自旋以及谷极化。而且谷间的耦合效应能够使应力石墨烯体系具有高极化流的完美谷极化现象。我们还研究了石墨烯纳米带的边缘态输运特性；研究结果显示面内交换场与晶格势的联合作用能够使得zigzag石墨烯纳米带中出现零能平带边缘态；进一步考虑内禀自旋轨道耦合作用的话，这样的零能平带边缘态能够演化成具有独特自旋图谱结构的helical-like边缘态。进一步我们研究了在考虑应力、Rashba自旋轨道、内禀自旋轨道耦合以及交换场作用下的armchair石墨烯纳米带的自旋输运特性。研究显示由于应力的作用，armchair石墨烯纳米带也能支持边缘态，而且合适的应力还能够使体系边缘结构是类螺旋结构的。. 我们还对其它狄拉克半金属纳米结构以及二维拓扑绝缘体中的量子输运进行了一些研究。我们从理论上研究了狄拉克半金属纳米结构的电子特征。我们发现沿着不同方向的限制表现了非常强的各向异性特点。对于二维拓扑绝缘体来说，我们发现铁磁电极作用下，体系表现出拓扑的自旋相关的helical边缘态。对于正常/铁磁/正常拓扑绝缘体体系，我们发现这种异质结的输运特性与其界面形状有密切的关系。