文章目录

中文摘要

ABSTRACT

第一章 引言

1.1 新型二维材料的基本性质及应用

1.2 新型二维纳米电子器件

    1.2.1 传统电子器件

    1.2.2 自旋电子器件

1.3 新型二维纳米电子器件的调控手段

1.4 本文主要研究内容

参考文献

第二章 理论计算方法

2.1 非平衡格林函数方法(NEGF)

2.2 密度泛函理论(DFT)

    2.2.1 Born-Oppenheimer(BO)近似

    2.2.2 Hohenberg-Kohn(HK)定理

    2.2.3 Kohn-Sham(KS)方程

    2.2.4 交换关联泛函

    2.2.5 赝势近似

2.3 求解KS方程

    2.3.1 原子轨道线性组合(LCAO)基组

    2.3.2 自洽求解KS方程

2.4 NEGF-DFT第一性原理计算方法

    2.4.1 量子输运理论模型

    2.4.2 量子输运性质

2.5 相关计算软件包

    2.5.1 Device Studio(DS)

    2.5.2 Vienna ab-initio Simulation Package(VASP)

    2.5.3 Nanodcal

2.6 本章小结

参考文献

第三章 基于黑磷的纳米电子器件研究

3.1 多层黑磷的结构及电子结构

3.2 基于多层黑磷的新型易失性存储器件

    3.2.1 器件结构模型与计算方法

    3.2.2 透射系数及散射态分析

3.3 基于多层黑磷-镍的自旋电子器件

    3.3.1 器件结构模型与计算方法

    3.3.2 局域态密度分析

    3.3.3 自旋相关电导特性

    3.3.4 电流-电压特性

3.4 本章小结

参考文献

第四章 基于二维碳材料的自旋电子器件研究

4.1 基于石墨炔纳米带的自旋二极管器件

    4.1.1 石墨炔纳米带的结构及能带特性

    4.1.2 器件结构模型与计算方法

    4.1.3 平衡条件下的自旋相关输运性质

    4.1.4 非平衡条件下的自旋相关输运性质

4.2 基于石墨烯纳米带的自旋光电流发生器

    4.2.1 zigzag石墨烯纳米带的能带特性

    4.2.2 器件结构模型与计算方法

    4.2.3 电荷电流和自旋电流随光子能量的变化特性

    4.2.4 电荷电流和自旋电流随偏振角、入射角的变化特性

    4.2.5 自旋电流随电压的变化特性

4.3 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

攻读学位期间取得的研究成果

博士期间参与的科研项目

博士期间获奖情况

致谢

个人简况

联系方式

文章摘要:纳米科学因其在纳米电子器件的研究中追求微型化、便捷式、低能耗等,近年来一直吸引着广大研究者在理论和实验上突破一个个极限。特别是2004年,英国曼彻斯特大学的两位著名物理学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫以及安德烈·海姆在实验上通过撕胶带的方法首次成功地从石墨中剥离出了石墨烯样品,两人也因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯的成功制备打开了二维材料研究的大门。近年来,越来越多的新型二维材料被发掘探索,它们因其各自独特的性质被广泛的应用在纳米电子器件的研究制备中,比如,场效应晶体管、传感器、存储器、自旋阀、自旋二极管、自旋光电流发生器等。本文基于非平衡格林函数和密度泛函理论相结合的第一性原理计算方法（NEGF-DFT）研究了基于黑磷的纳米电子器件以及基于二维碳材料的自旋电子器件的量子输运特性。其中门电压是本文相关纳米电子器件的量子输运特性研究中最重要的调控手段,此外还有偏压、光照等调控手段。本论文的主要研究内容以及创新点:（1）基于多层黑磷的新型易失性存储器件的量子输运特性研究。利用多层黑磷在外加垂直电压作用下诱导的巨斯塔克效应使得黑磷由半导体逐渐转变为金属的特性,构造了两电极施加垂直于黑磷层面的电压（创新点）而中心散射区不加电压的纯黑磷的两端口金属-半导体-金属结构模型。而外加垂直电压使得电极区的态密度主要分布在多层黑磷的上层或者下层,通过调节两电极的符号实现了黑磷的层间隧穿和层内隧穿,由于多层黑磷的层间相互作用,使得层间隧穿比层内隧穿困难,因而可以将其看成电路的关断和导通两个状态,实现了易失性存储的特性。在之字形（zigzag）方向的结构研究中,最大相对隧穿电阻可达5000%。（2）基于多层黑磷-镍的自旋电子器件的量子输运特性研究。利用多层黑磷在外加电压作用下诱导的巨斯塔克效应取代了以往自旋电子器件研究中外加电压诱导的自旋轨道耦合作用（创新点）,研究了基于多层黑磷-镍（100）的自旋电子器件的自旋相关输运性质。在线性响应区,体系在两电极磁化方向平行和反平行的结构下的自旋极化率分别在0.0181%-73.2%和0.0077%-62.84%范围内变化。而在非平衡状态下,偏压和门电压都可以用来调控体系的自旋极化。并且在小偏压0.01 V时,两电极磁化方向平行的结构下,自旋向上和自旋向下成分的电流开/关比率分别为6761和5828。（3）基于石墨炔纳米带的自旋二极管器件的量子输运特性研究。在zigzag 6,6,12-石墨炔纳米带和γ-石墨炔纳米带组成的横向异质结结构中,通过调节两电极的磁化方向可以得到磁化方向平行（parallel configuration,PC）和反平行（anti-parallel configuration,APC）的结构。研究发现,在一定的偏压范围内,APC可以产生双自旋过滤的效应,而PC在相应的偏压范围内自旋极化率几乎为0,使得在低偏压范围内可以获得较大的磁阻。最后通过在异质结界面处施加垂直电压,发现PC中也可以产生双自旋过滤的效应。（4）基于石墨烯纳米带的自旋光电流发生器的量子输运特性研究。利用光伽凡尼效应（Photogalvanic effect,PGE）在纯的zigzag石墨烯纳米带结构中产生了自旋光电流（创新点）。该方法通过调节施加在器件两电极上电压的符号,可以产生符号相反的纯自旋光电流和不同自旋成分的全自旋极化光电流。此外,光子能量、偏振光的偏振角以及入射角、纳米带的带宽都可以用来有效地调节自旋光电流的产生。与之前利用铁磁材料将自旋注入到石墨烯的方法比较,我们提出的方法避免了不同材料与石墨烯接触造成界面处的自旋相关散射,可以无损耗的将自旋注入到石墨烯基的自旋电子器件中（创新点）。