【摘要】：由于石墨烯優(yōu)異的電子學(xué)特性,最近幾年引起越來(lái)越多人的關(guān)注,之后人們對(duì)石墨烯納米帶的能帶結(jié)構(gòu)和電輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了大量理論研究。早期理論研究提出了零能隙無(wú)質(zhì)量Dirac粒子色散關(guān)系,發(fā)現(xiàn)二維窄鋸齒型石墨烯納米帶具有零能的邊界帶。但是其零帶隙的特點(diǎn)限制了它們?cè)陔娮訉W(xué)器件上的應(yīng)用。為此,科學(xué)家不斷的探尋打開(kāi)石墨烯帶隙的方法。本論文中,基于包含自洽格點(diǎn)在位庫(kù)侖能的Kane-mele模型,研究窄鋸齒型石墨烯納米帶,我們?cè)噲D探索調(diào)控其中四個(gè)邊界帶能帶結(jié)構(gòu)的方法。首先,考慮環(huán)境對(duì)邊界處鍵長(zhǎng)的影響,我們通過(guò)調(diào)節(jié)邊界處原子間的躍遷系數(shù)來(lái)進(jìn)行理論模擬環(huán)境對(duì)邊界帶結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)鋸齒型石墨烯納米帶的兩個(gè)邊界處在同一環(huán)境中,通過(guò)雙邊調(diào)控理論模擬表明能帶結(jié)構(gòu)依舊保持k空間對(duì)稱性,隨著躍遷系數(shù)的增大,邊界帶的費(fèi)米波矢都在向0.5靠近,能隙線性減小。如果將鋸齒型石墨烯納米帶的兩邊放在不同環(huán)境中,通過(guò)單邊調(diào)控理論模擬表明能帶結(jié)構(gòu)對(duì)稱性被破壞,隨著躍遷系數(shù)的減小,該邊界對(duì)應(yīng)的邊界態(tài)范圍擴(kuò)大。因此,可以通過(guò)調(diào)節(jié)邊界處原子間的躍遷系數(shù)來(lái)調(diào)控不同邊界帶的能帶結(jié)構(gòu)參數(shù)。其次,在鋸齒型石墨烯納米窄帶平面內(nèi)加入橫向電場(chǎng),我們?cè)敿?xì)研究了四個(gè)邊界帶能帶結(jié)構(gòu)隨強(qiáng)度的變化過(guò)程。研究結(jié)果顯示,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較弱時(shí),外加電場(chǎng)的方向可以調(diào)控自旋向下的兩個(gè)邊界帶一起朝不同方向移動(dòng),導(dǎo)致波矢q=0.5處自旋向下的兩個(gè)純邊界態(tài)的能量簡(jiǎn)并劈裂方向可由電場(chǎng)調(diào)控;當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)到超過(guò)0.69 V/nm,自旋向下的兩個(gè)邊界帶出現(xiàn)較大帶隙,能帶反轉(zhuǎn),而自旋向上的電子結(jié)構(gòu)無(wú)能隙,系統(tǒng)呈現(xiàn)半金屬性,同時(shí)QSH體系不再是B類。特別當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1.17V/nm時(shí),在自旋向下能帶的能隙中q=0.5處存在自旋向上的純邊界態(tài),意味著在8格點(diǎn)邊界處可以產(chǎn)生自旋向上的純邊界電流。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度持續(xù)增加時(shí),QSH系統(tǒng)從B類到C類經(jīng)歷3個(gè)階段的變化。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)1.42 V/nm后,自旋向上的兩個(gè)邊界帶也出現(xiàn)能帶反轉(zhuǎn),分別成為導(dǎo)帶和價(jià)帶,系統(tǒng)成為C類的普通量子霍爾體系。
【圖文】：

第一章緒論逡逑１．１單層石墨烯的幾何結(jié)構(gòu)及能帶結(jié)構(gòu)逡逑石墨烯是單層碳原子組成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖１．１所示。每個(gè)碳原子核逡逑外都有６個(gè)電子，其中２個(gè)層內(nèi)電子與原子核構(gòu)成原子實(shí)，另外４個(gè)外價(jià)電子與臨逡逑近的碳原子外價(jià)電子通過(guò)雜化形成穩(wěn)定的２ｓ、２／７，．、２／；，、２／７；４個(gè)軌道，其中２ｓ、逡逑２ｐＹ、２凡．通過(guò)雜化與鄰近的碳原了？形成穩(wěn)定的0■鍵，剩下的２ｐ＿軌道電子叫逡逑疋電子，它受原子核的束縛力比較弱，可以Ｕ山運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)與石墨烯表面垂逡逑直的；ｒ軌道。逡逑小逡逑ｙ逡逑ＬＹ＇ｒ＾逡逑圖１．１單層石墨烯幾何結(jié)構(gòu)逡逑在緊束縛模型下，電了的結(jié)構(gòu)主要山；Ｔ軌道屯子決定，下面主要計(jì)算石墨烯逡逑的單電子能帶結(jié)構(gòu)。ｆｌ墨烯的原胞內(nèi)包含兩個(gè)不等價(jià)的碳原子，則系統(tǒng)的哈密頓逡逑量為逡逑Ｈ邋－邋＇Ｓ）＇ｊｉｉｃ＊ｃｉ邋＋邋ｈ．ｃ邐（１．１）逡逑（ｕ）逡逑其中Ｘ表示只對(duì)最近鄰格點(diǎn)求和，表示最近鄰格點(diǎn)之間的躍

灥逡逑圖１．２石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)逡逑Ｓｏｆｏ等人通過(guò)第一性原理研究石墨烯的氫化過(guò)程［，完全飽和的氫化此時(shí)逡逑可打^u３．邋５ｅＶ的帶隙，見(jiàn)圖１．邋３所示。在３．邋５ｅＶ范圍之內(nèi)態(tài)密度一直為零，即石逡逑墨烯打開(kāi)了一定的帶隙。逡逑Ｍａｒｔｉｎａｚｚｏ等人運(yùn)用緊束縛近似研究周期性破缺對(duì)石墨烯帶隙的影響ｍ，逡逑見(jiàn)圖１．邋４所示。汁箅結(jié)果表明，通過(guò)引入周期性Ｐ，軌道破缺形成的的正六逡逑邊形結(jié)構(gòu)時(shí)，，在石墨烯屮形成超晶格結(jié)構(gòu)并打開(kāi)帶隙。逡逑另－類是間接破壞石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)，？般通過(guò)引入外電場(chǎng)襯底等破逡逑壞石墨烯的對(duì)稱性？°］、ＳＯ自旋軌道耦合效應(yīng)［：”邋：１２１、外加應(yīng)力等方發(fā)從而打開(kāi)帶逡逑隙“ｗ１。有關(guān)雙層和三層石墨烯，現(xiàn)在已經(jīng)有很多研究表明，施加垂直方向上的逡逑電場(chǎng)對(duì)石墨烯帶隙的調(diào)控，而且?guī)兜拇笮‰S電場(chǎng)的強(qiáng)弱可調(diào)。Ｙｕａｎｂｏ邋Ｚｈａｎｇ［Ｍ］逡逑等人在雙層石墨烯垂直方向加電場(chǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)電場(chǎng)的大小，石墨烯從零能隙慢慢逡逑出現(xiàn)帶隙
【學(xué)位授予單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O613.71;TB383.1

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本文編號(hào)：2647695