铁磁石墨烯半金属中的自旋极化输运

The spin-polarized transport in EuO induced ferromagnetic (FM) graphene is currently one of the frontier issues of spintronics. Nonlinear transport behavior under finite bias and time characteristics of electronic devices are basic contents of the issue, but have not been touched yet. Meanwhile, the current theoretical studies are based on a Zeeman-splitting type spin energy band obtained from the analogy with the EuO/Al interface; however, the latest first principle calculations and electronic transport experiments indicate a half-metal type one. Using the half-metal model, the present project investigates linear response features, nonlinear transport behaviors under finite bias, and tunneling time characteristics of spin electrons in FM graphene. Specifically, the spin filter effect, spin dependent giant magnetoresistance effect, spin valve effect, spin dependent negative differential resistance, and collective group delays of spin electrons will be investigated, from which the spin electronic transport and physical mechanisms in FM graphene will be revealed. The purpose of this project is to promote the knowledge of spin-polarized transport in FM graphene, and to provide physical models and theoretical basis for designing multi-functional spintronics devices based on FM graphene.

氧化铕诱导铁磁石墨烯中的自旋极化输运是当前自旋电子学的前沿课题之一。然而，有限偏压非线性输运行为和器件输运时间特性等课题基本内容在目前的研究中尚未涉及。同时，现有的理论研究普遍基于类比氧化铕/铝界面得到的Zeeman劈裂型自旋电子能带结构，而最近的第一性原理计算和电子输运实验表明其为半金属型。本项目拟在半金属模型下，研究铁磁石墨烯中自旋电子的线性响应特征、有限偏压非线性行为和器件时间特性。通过自旋过滤效应、自旋依赖的巨磁阻效应、自旋阀效应，自旋依赖的负微分电阻效应，以及自旋电子的集体群时延等内容的研究，探索铁磁石墨烯中自旋电子的输运性质及其物理机制。以期增进人们对铁磁石墨烯中自旋极化输运的认识，并为设计多功能自旋电子器件提供物理模型和理论依据。

邻近诱导铁磁石墨烯中的自旋极化输运是自旋电子学的前沿课题之一。已有的研究采用类比得到的Zeeman劈裂模型，主要关注线性响应电导特性。本项目采用第一性计算和实验揭示的半金属模型，研究了铁磁石墨烯各种纳米结构中的1）自旋依赖的线性电导特性、2）磁致电阻特性、3）自旋依赖的电流-电压特性、以及4）自旋依赖的集体群时延和电子束横向位移特性。主要研究结果包括：1）研究了铁磁石墨烯结中自旋依赖的线性电导特性，提出了在真实电极接触和有限温度下仍能同时开启的自旋过滤和自旋阀器件，揭示该效应起源于铁磁石墨烯中半金属带和能隙的共存，发现自旋过滤和自旋阀的背栅电压可调性。2）设计了基于双石墨烯铁磁体结构的可在零磁场和高温下开启的高开关比开关器件，发现通过一个铁磁体上合适的电压可以在零磁场和液氦（液氮）温度条件下实现高达305×1E6% (16×1E3%)的开关比，揭示了该效应的机理：石墨烯铁磁体中电场诱导的完全自旋极化反转和器件中对应的金属-绝缘态。3）提出了基于宽短石墨烯上沉积两条栅控氧化铕的自旋依赖负微分电阻器件，该方案避免了以往方案所需的石墨烯边缘剪裁，发现了该器件中负微分电阻的自旋可选性和区域可调性，揭示其机制源于器件中自旋依赖共振能级的栅压可调性。4）研究了铁磁石墨烯双势垒共振隧穿结构中的自旋依赖集体群时延特性，发现共振增强和共振压制导致的集体群时延差异远大于其导致的单体群时延差异。研究了铁磁石墨烯/石墨烯/应变石墨烯结构中电子束的自旋-谷依赖的横向位移，提出了基于全共振隧穿条件下四个自旋-谷分量的共振角度/共振能量差异的自旋-谷电子束分束器。