基于自旋轨道耦合的石墨烯的自旋输运特性研究

Due its high mobility and potential long spin lifetime, graphene has been known as the first choice for the next generation electronic component materials. Now, a variety of spin-dependent interactions of graphene-based materials are being studied extensively in the experiment. However, there are still a lot of basic problems about spin transport is worth to explore in graphene -based materials. In this research, we study the spin transport characteristics based on graphene modulated by the structure and external field with spin orbit coupling, the purpose is to reveal the physical mechanism of spin transport and explore its applications in spintronics. Focus on: (1) The impact of the different structure of spin orbit coupling on the spin transport in graphene. (2) Spin polarizatin of graphene modulated with spin-orbit coupling and strain. (3) The special characteristics of graphene induced by the spin-orbit coupling. The significance of this study is to lay the foundation for the designs of electronic devices and spintronics devices by studying the graphene-based spin-transfer characteristics and mechanism.

最近发现的碳基材料石墨烯由于具有较高的迁移率和潜在的较长自旋寿命，被称为是下一代基于电子自旋的电子元件材料。现在，基于石墨烯材料的各种自旋相关相互作用正逐渐在实验上被人们广泛地加以研究。然而在石墨烯基材料的自旋传输方面还有很多基础问题值得去探讨。本研究结合石墨烯的特殊性质，针对考虑自旋轨道耦合时电子的传输特性展开研究，分析调制结构以及外场在自旋传输中的作用，目的是揭示自旋传输的物理机理，进而探讨其在电子学和自旋电子学中的应用。重点研究：（1）研究不同结构分布的轨道耦合对电子在石墨烯中的自旋传输特性的影响。（2）应力调控下具有自旋轨道耦合的石墨烯的自旋极化研究。（3）研究存在自旋轨道耦合时石墨烯基材料的特殊性质。本研究的意义是通过对石墨烯为基的自旋传输特性和机理研究，为设计电子器件、自旋电子器件奠定基础。

基于石墨烯材料的各种自旋相关相互作用正逐渐在实验上被人们广泛地加以研究，然而在石墨烯基材料的自旋传输方面还有很多基础问题值得去探讨。我们针对考虑自旋轨道耦合时电子的传输特性展开研究，分析了调制结构以及外场在自旋传输中的作用。首先我们在自旋极化和谷极化方面获得一定的成果: 我们研究了由Rashba自旋-轨道耦合和应力调制的石墨烯的自旋传输特性，实现了不需要通过外磁场或者磁场分量来调节的自旋极化；进一步通过分析铁磁石墨烯中存在应力或者存在Rashba自旋-轨道耦合时的自旋能隙，发现在自旋能隙中产生了完全自旋极化；我们还提出了一个基于应力石墨烯中考虑Rashba自旋轨道耦合和磁栅栏中实现完全自旋极化和谷极化的方案，可以产生很高的自旋极化流和谷极化流。再者我们在自旋进动和谷进动方面获得了一定的进展：我们研究了存在Rashba自旋轨道相互作用和空间变化的费米速度的二维石墨烯的自旋相关输运特性。数值结果表明：通过调节费米速度可以很好的调节随着费米能量的自旋进动，并可以很好的增加布儒斯特角，而且获得了随费米能量和费米速度的巨磁电阻；我们还研究了谷耦合作用下的石墨烯体系的谷极化和进动特性。研究结果发现谷耦合能够在石墨烯中诱导出谷极化和谷进动以及与谷相关的布儒斯特角；而且如果进一步考虑应力作用的话，体系会具有高极化流的完美谷极化现象。其次我们在自旋相关的边缘态方面也有一定的进展：我们研究发现面内有效交换场与内禀自旋轨道耦合以及交错势结合可以有效调控石墨烯体系的块带隙以及自旋态；我们还研究了应力作用下，armchair石墨烯纳米带结构中的边缘态特性。研究显示：由于应力的作用考虑内禀自旋轨道耦合的armchair石墨烯纳米带结构能够具有特殊图谱结构的Helical边缘态，而且在一个临界的应力作用下，体系会出现从自旋霍尔相到普通的绝缘体相的转变。