石墨烯纳米条带自旋相关热电输运性质研究

The research on the spin-dependent thermoelectric effects for low-dimensional nanomaterials is a new subject for both theoretical significance and potential applications in recent years. The relevant study can help people to fabricate high effciency thermoelectric materials and desigh high performance spin thermal management devices. Based on our previous work, this project will focus on spin-dependent thermoelectric transport and its manipulation in ferromagnetic(FM)/ graphene nanoribbons/FM system. By using the nonequilibrium Green's function combining with the first principles approach, we will firstly study the quantitative dependence of thermal conductance, spin Seebeck coefficient and the spin thermoelectric figure of merit ZsT on the edge structures and the widths of graphene nanoribbons as well as the polarization strength and magnetic configuration of two FM leads for the pristine graphene nanoribbon (in the absence of impurity doping) systems. Furthermore, we will extend the above issue to a similar system in the presence of magnetic field or impurity doping, and the dependence of the above physical quantities on the magneitc field 's magnitude or the impurity doping atomic species and its strength will be investigated. Our research may obtain the exhaustive knowledge of spin-dependent thermoelectric transport properties for the FM/graphene nanoribbons/FM systems and display some new spin-dependent thermoelectric effects and phenomena which are different from those of conventional quantum dot systems, quantum wire systems, molecular junctions, and magnetic tunnel junctions. Our research in principle may provide physical models and theoretical validity in designing the spintronic thermoelectric devices based on the graphene nanoribbons.

介观纳米体系的自旋相关热电输运是一个具有重要科学意义和广泛应用背景的挑战性问题，其研究能促进合成高性能的热电材料，从而设计和构造具有可调控优越性的自旋热控器件。在我们前期工作基础上，本项目将围绕铁磁/石墨烯纳米带/铁磁体系的自旋相关热电输运性质及调控等问题开展工作。拟采用非平衡格林函数与第一性原理数值计算相结合的方法，先研究理想(无杂质)石墨烯纳米带体系的热导、自旋塞贝克系数和自旋热电品质因子等与条带边缘形貌、条带宽度、铁磁电极磁化强度大小和不同位置构型之间的定量关系；然后研究外磁场、掺杂及边缘吸附等调控下石墨烯纳米带体系的上述物理量与磁场强度、杂质种类及其浓度位置等因素之间的相互关系。相关研究可能获得铁磁/石墨烯纳米带/铁磁体系自旋相关热电输运性质的系统知识，展现一些与其它纳米体系不同的新的自旋相关热电效应和现象，并可能为从原理上设计基于石墨烯纳米带的自旋热电器件提供物理模型和理论基础。

本项目旨在研究铁磁/石墨烯纳米带/铁磁体系的热电自旋输运性质，拟开展外磁场、安德森无序以及铁磁电极磁化强度大小和不同位置构型对热电输运性质的影响。经过3年的研究，基本完成计划中的研究内容，达到了预期目标。此外，我们还研究了类石墨烯(硅烯)纳米带组成的两电极体系的热电输运性质，并对石墨烯与硅烯组成的异质结的热电输运性质进行了研究。总计发表论文9篇，均被SCI收录。并在2014年度湖南省物理学会年会做报告，参加与课题相关的国内、国际学术会议多次。取得的成果概述如下：利用非平衡格林函数方法，我们分别研究了把铁磁绝缘材料沉淀在石墨烯六角格子和二维正方格子材料上时的扶手椅和锯齿型石墨烯纳米带体系的热电输运性质。细致考虑了铁磁绝缘材料的磁化强度大小和不同位置构型、外加磁场强度、安德森无序三者共同相互作用对热电输运性质的调控。发现当铁磁电极采用石墨烯六角格子时，半导体型扶手椅石墨烯纳米带体系的赛贝克系数要比金属型扶手椅石墨烯纳米带和锯齿型石墨烯纳米带体系的赛贝克系数要大了两个数量级。但是当铁磁电极采用二维正方格子的材料时，不论是半导体型、金属型石墨烯纳米带还是锯齿型石墨烯纳米带体系的赛贝克系数都在同一个数量级。从而为实验上提供了利用不同铁磁材料作为电极测量赛贝克系数大小的方案。在此基础上进一步研究了硅烯纳米带铁磁体系以及石墨烯与硅烯组成的异质结的热电输运现象，预测了一些新奇的热电现象。例如，锯齿型硅烯条带展现出奇偶效应，宽度为偶数排原子链6-SiNR 的自旋热电品质因子ZsT在费米能附近比宽度为奇数排原子链7-SiNR大了四个数量级。此外，界面效应能有效的调节体系的热电输运性质。本项目选择石墨烯铁磁体系的热电自旋输运性质为主要研究对象，具有理论和应用上的重要意义，我们将继续开展深入细致的后续研究工作，寻找调控热电输运特性的最佳方案，并为新的实验发现提供物理基础。