基于石墨烯构建自旋电子器件的理论设计与性能调控

Graphene , with its stable structure, high electron mobility and good conductivity, is a good material to build nano-electronic devices. For limited sized-graphene nanostructures with zigzag edges, the unsaturated dangling bonds existing in their zigzag edges will give rise to spin polarized charge distribution, which in turn bring in the existence of net magnetism in the system. This important feature makes grahpene an ideal material to build spintronics device as well as a means to solve the problems of spin injection and spin extraction which have long troubled researchers in the field of spintronics. With the development of fabrication techniques, the research into the magnetic effect and transport properties of graphene nanostructures have attracted much attention. Adopting the method of first-principle method base on density functional theory and non-equilibrium Green's function, this project makes systematic research into the problems to be solved in the building of spintronics devices, including the mechanism and adjustment of magnetism of graphene nano-materials, focus on the effect of binding modes of electrode/graphene interface, doping and external bias on spin injection and spin transport. With that, the project intends to find out the effective ways to manipulate the spin states and control the spin-polarized transport characteristics of the device and to propose the theoretical design of functional graphene based spintronics device.

石墨烯材料结构稳定，电子迁移率高，电导性能优异，是构建纳米电子器件的理想材料。对于包含锯齿形边缘的有限尺寸石墨烯纳米结构，存在于其锯齿形边缘的不饱和悬挂键会导致自旋极化的电荷分布，从而使得体系中有净磁矩存在。这一重要特性使得此类石墨烯材料成为构建自旋电子器件的理想元件，并作为解决自旋电子学研究中长期困扰人们的自旋注入和自旋萃取效率问题的可取手段。随着制备手段的进步，围绕石墨烯纳米结构的磁效应及其输运性质的研究已成为热点。本项目采用基于密度泛函和非平衡格林函数的第一性原理方法，对基于石墨烯构建自旋电子器件所需要解决的问题做比较系统的理论研究。包括探索石墨烯纳米材料的磁效应机制与调控手段，并着重研究电极/石墨烯接触界面模式、掺杂以及偏压等对自旋注入和自旋输运的作用。在此基础上寻找操纵电子器件的自旋态并调控其自旋极化输运特性的有效途径，提出功能性石墨烯自旋电子器件的理论设计方案。

石墨烯（graphene）纳米材料的磁效应及其输运性质是目前凝聚态物理的研究热点。其中石墨烯自旋电子器件的研制及其新应用的探索与开发获得了较多关注，我们针对基于石墨烯构建自旋电子器件所需解决的问题进行了研究。首先，我们计算了不同尺寸石墨烯纳米片掺杂六角氮化硼（h-BN）后的样品的电子结构，发现其不仅具有很好的结构稳定性和热稳定性，而且存在内禀磁矩。样品尺寸及碳/硼/氮原子的比例和位置决定其磁矩的大小。根据这一结果提出了基于石墨烯纳米片的分子磁体模型。提出了由graphene与h-BN沿对角线拼接成的矩形杂化材料(graphene/h-BN)，并对其电子结构进行了计算和分析，证明了graphene/h-BN杂化材料具有铁磁性。以锯齿形边界结合的条带样品比以扶手椅形边界结合的材料具有更大的结合能和内禀磁矩。构造了以石墨烯纳米条带为电极，相同宽度的graphene/h-BN杂化材料为散射区的一维纳米器件，用第一原理方法研究了其电子输运性质。结果表明基于graphene/h-BN的器件具有自旋极化的输运特性，使得这一器件结构可被应用于自旋电子器件。以扶手椅形边界结合的杂化材料为散射区的器件在低偏压下仅有一个自旋通道导通，为一种典型的半金属材料，可被用来实现100%的自旋过滤。以锯齿形边界结合的杂化材料为散射区的器件的I-V特性也呈现出自旋极化的特征，在低偏压下具有较高的自旋过滤效率。研究了磁性电极与graphene/h-BN杂化材料构成的器件中的自旋输运过程，发现了显著的磁致电阻效应。计算并分析了磁性电极的接入对散射区磁性的影响、对自旋注入和自旋过滤效率的作用以及外置偏压对自旋输运的影响。我们据此提出了操纵电子器件的自旋态并调控其自旋极化输运特性的有效途径，提出功能性石墨烯自旋电子器件的理论设计方案。