基于石墨烯与硅烯的纳米自旋电子器件的理论设计及输运特性研究

The fabrication of graphene and silicene nanomaterials provides a new opportunity to the striding development of nano spintronics. Our project focuses on device design and spintronic behaviors on the graphene and silicene-based heterojunctions which is the forefront and important issue in this field. The objectives of our project are (1) to design the spintronic devices of single-layer, bilayers and multilayers graphene (silicene) heterojunctions, (2) to investigate the spin tranport properties of molecular devices based on graphene (silicene) nano heterojunctions, (3)to investigate the regulatory factors on these devices and heterojunctions. We adopt the density functional theory and Non-equilibrium Green Function methods to calculate ground electronic structures and spin transport characteristics, and further reveal intrinsic origins using molecular orbital theory,hybrid orbital theory and spin orbital theory. The aims of this project are to model accurate and valid spintronic devices based on graphene (silicene) heterojunctions and explore their physical mechanism of spin injection, spintronic transport and key regulatory factors, which could improve its functional abilities. The theoretical design of a series of excellent molecular spintronic devices will play an important role to provide advice including some new structures, their physical parameters and the mechanism in the nanoelectronics manufactory.

石墨烯和硅烯纳米材料为纳米自旋电子学的发展带来了非常广阔的前景。本项目以石墨烯和硅烯材料为研究对象，着眼于目前亟需解决的前沿问题，深入探讨由此类材料组成的异质结系统的自旋电子器件的设计及其输运特性。主要研究内容包括：（1）单层、双层或多层石墨烯（硅烯）材料的自旋电子器件设计；（2）单层、双层或多层石墨烯（硅烯）形成异质结的电子器件的自旋输运行为；（3）自旋电子器件的功能化。研究方法采用基于密度泛函理论及非平衡格林函数输运理论的第一性原理的方法计算体系的自旋基态电子结构及载荷输运特性，然后运用分子轨道理论，杂化轨道理论和自旋轨道理论进一步分析其自旋输运本质。我们探寻该类纳米材料异质结其电子和自旋输运行为的物理机理；寻找其改良的方法，从理论上尽可能的提高其功能性指标，发现其上自旋电子注入的规律和器件的输运特点，发掘大量较强功能性的纳米自旋电子器件,为器件的制造提供可靠的物理模型和性能参数。

碳纳米材料是现今炙手可热的一类纳米材料，它的发展为纳米自旋电子学的提供了巨大的契机。本项目以石墨烯材料为主要的研究对象，着眼于目前亟需解决的前沿实验和理论问题，深入探讨由此类材料组成的异质结系统的自旋电子器件的设计及其输运特性。主要研究内容包括：（1）基于石墨烯纳米异质结（单层、双层或多层）的分子器件的电子输运特性； （2）基于石墨烯纳米异质结的分子器件的电磁结构及其输运特性； （3）研究此类分子器件的影响因素；（4）自旋电子器件的功能化。在具体研究过程中，我们主要研究了不同结构的石墨烯量子点和不同芯分子、不同宽度、不同边缘构型、不同掺杂、不同边缘饱和、不同接触边缘和不同缺陷下的石墨烯纳米条带组成的异质结系统。我们发现了大量具有明显整流、负微分电阻、开关效应及自旋滤波、双自旋滤波，自旋阀、巨磁阻效应和负巨磁阻效应的器件。研究方法采用基于密度泛函理论及非平衡格林函数输运理论的第一性原理的方法计算体系的自旋基态电子结构及载荷输运特性，然后运用分子轨道理论，杂化轨道理论和自旋轨道理论进一步分析其自旋输运本质。我们通过计算相应的系数（如整流比，自旋滤波系数和巨磁阻值等）来对比器件的性能。同时，我们通过能带关系、透射谱曲线、电子态密度、分波态密度、定域态密度、波函数的空间分布和电子差分密度来分析其内在规律。借此，我们探寻该类纳米材料异质结其电子和自旋输运行为的物理机理；寻找其改良的方法，从理论上尽可能的提高其功能性指标，发现其上自旋电子注入的规律和器件的输运特点，发掘大量较强功能性的纳米自旋电子器件,为器件的制造提供可靠的物理模型和性能参数。