蓝磷纳米带的磁性调控及其自旋输运理论研究

In recently, the experimental and theoretical have reported one allotrope of phosphorus - "blue phosphorus", since it has the properties of broadband gap and possible high electronic mobility, is now a new hotspot in the research of the two-dimensional materials. But the blue phosphorus is intrinsic non - magnetism, restricting its application in spintronic devices. In order to successfully design the spin electronic device of blue phosphorus and realize its spin manipulation, it is necessary to accuratly understand the origin magnetic properties of the doping system for blue phosphorus nanoribbon and the rules of the design the spin device.In this project, we use the the first principles to systematically study the band structure of metal atoms doping blue phosphene (monolayer blue phosphorus) nanoribbon and the simulated devices. The effects of different metals and different doping sites on the lattice structure, electronic structure and magnetic properties of blue phosphine nanowires were studied. We will calculated and analyzed the voltammetric characteristics and transport spectra of the transport system by designing and constructing a one-dimensional blue-phosphorus nanoribbons for the multifunctional spin-electronic device. The dependence of the doping on the blue-phosphorus nanoribbon configuration was elucidated, and to provide the physical basis for the design of blue phosphorus soin electronic devices.

近期实验和理论报道磷的同素异形体—“蓝磷”，由于其具有宽带隙和可能的高电子迁移率，是现在二维材料研究的新热点。但是由于蓝磷内秉无磁性，制约了其在自旋电子器件方面的应用。为实现蓝磷纳米带自旋调控，并合理设计蓝磷自旋电子器件，需要正确认识蓝磷纳米带掺杂体系磁性的起源和其功能电子自旋器件的设计规则。本项目利用第一性原理方法系统研究磁性金属原子掺杂蓝磷纳米带，将研究不同磁性金属原子、不同掺杂位置对蓝磷烯纳米带晶格结构、电子结构和磁性的影响；通过模拟设计和构建一维蓝磷纳米带多功能自旋电子器件，计算和分析其输运体系的伏安特性、透射谱和投影自洽哈密顿量等，阐明掺杂对蓝磷纳米带磁性调控的影响，揭示蓝磷纳米带自旋电子器件输运机制，以达到可控优化其功能的目的，为蓝磷自旋电子器件的设计提供理论依据。

晶体磷作为新型二维半导体材料，因其具有合适的能隙和高载流子迁移率受到了广泛的关注。2014年理论报道的新型半导体“蓝磷”是磷的一种同素异形体，由单层磷原子堆叠而成的二维晶体，具有类似石墨的非平面蜂窝层状结构；2016年蓝磷被实验成功生长，更加吸引了科研工作者们的广泛研究兴趣。为成功设计蓝磷自旋电子器件，实现其自旋调控，需要正确认识蓝磷纳米带掺杂体系磁性的起源和多功能电子自旋器件的设计规则。本项目理论探索将磁性引入蓝磷纳米带(Blue Phosphorus nanoribbons-BPNRs) 的有效方式——在对蓝磷纳米带进行边缘钝化后，掺入合适的金属原子。在此基础上，通过对改性后的蓝磷纳米带（BPNRs）的自旋调控，模拟单层蓝磷自旋电子器件模型。. 首先我们模拟研究了金属掺杂的蓝磷纳米带，在通过不同方向裁剪后得到扶手蓝磷椅纳米带（aBPNRs）和Z字形蓝磷纳米带（zBPNRs），通过掺杂zBPNRs和aBPNRs中观察到自旋极化状态。对于zBPNRs，发现当V原子在B位置取代P原子时，可以观察到基态的半金属特征。Mn- A/B、V- A、Fe- B、Cr- A/B结构表现出磁性半导体体性质，Ni- A/B结构表现出非磁性金属性质。此外，Fe- A体系还具有磁性金属性质。对于aBPNRs, Mn- A/B、V- A、Fe- A/B、Cr- A/B结构表现为磁性半导体体性质，而V- B结构表现为非磁性性质。我们理论模拟计算得到，将锯齿状蓝磷纳米带与V掺杂的磁化后的蓝磷纳米带电极偶联后，得到具有近乎完美的自旋过滤效果、负微分电阻及庞磁阻的自旋电子器件。我们通过密度泛函理论还系统地研究了不同堆垛方式的双层蓝磷（AA-、AB-和AC堆垛）的电子特性，通过密度泛函与非平衡态格林函数相结合的方法计算证明了不同BBP的非线性电流行为。我们通过将BBP夹在中间来构造器件结构二维叠加BBP电极和不同的叠加表现不同的电导率。综上所述，在二维晶体蓝磷构成的自旋电子器件中，掺杂蓝磷纳米带的电磁特性和多功能器件模型设计是器件的核心。对蓝磷纳米带的自旋调控从理论上有待深入研究，此研究将有助于推动蓝磷晶体作为电子器件进一步的应用发展。