【摘要】：自旋電子學(Spintronics)是將電子的自旋效應與傳統(tǒng)微電子學相結合的一門新興科學技術,為研究和開發(fā)下一代全新功能的微電子器件提供了前所未有的發(fā)展機遇。傳統(tǒng)半導體材料的電子運動速度會受到能量分散的限制,而基于電子的自旋方向改變和自旋間耦合的自旋電子元器件,每秒種可實現(xiàn)數(shù)十億次的邏輯功能。相較于半導體材料元器件而言,自旋電子學元器件大大降低了能量損耗,即自旋電子元器件以消耗更少的能量實現(xiàn)更快的速度和更多的功能。(i)石墨烯(graphene)是碳原子以sp2雜化形式構成的單原子層厚度的二維晶格,具有光學、熱學以及電學和力學等優(yōu)良性能,已經(jīng)引起了科學界的廣泛興趣�；诿芏确汉碚�(density functional theory,DFT),本文主要討論金屬原子(Na,Cu和Fe)吸附三層石墨烯、氫原子及二聚體吸附單雙層石墨烯的電子結構和磁性控制。(ii)半金屬(half-metal,HM)材料具有高達100%的傳導電子自旋極化率,是一種具有巨大應用潛力、有著重要應用前景和科學意義的自旋電子學材料�；诿芏确汉碚�,本文重點研究具有低磁矩的Heusler半金屬Cr2Co Ga合金的(001)表面態(tài)的結構穩(wěn)定性、電子結構和磁性。首先,我們研究金屬原子(Na,Cu和Fe)吸附ABA和ABC兩種堆棧次序的三層石墨烯的電子結構和磁性控制。其中,具體研究和討論外加電場對石墨烯電子結構和磁性的調控作用。研究結果表明,(i)石墨烯的碳原子與吸附原子之間的成鍵狀態(tài)從與堿金屬Na原子形成離子鍵合態(tài)轉變成與過渡金屬Cu和Fe原子形成共價鍵合態(tài);(ii)外加電場不僅調控著Cu和Fe原子高低自旋態(tài)的轉換,還激發(fā)出了本無磁性(未加電場)Na原子的磁性。顯然,我們的這一研究成果對自旋電子學的發(fā)展有著很好的參考價值和指導意義。其次,我們研究氫原子及二聚體吸附單雙層石墨烯的電子結構和磁性調控。研究發(fā)現(xiàn),(i)無論是單層還是雙層石墨烯,單個氫原子的吸附都能夠激發(fā)石墨烯的磁性;(ii)氫原子二聚體(以下簡稱二聚體)吸附在單層和雙層石墨烯的不同子晶格的對稱位置αα,單層和雙層石墨烯會發(fā)生自旋劈裂而呈現(xiàn)出鐵磁金屬性;當二取體吸附在相同子晶格的非對稱位置αβ,單層和雙層石墨烯沒有自旋劈裂,從而表現(xiàn)出反鐵磁金屬性。(iii)基于密度泛函理論(DFT)模擬的掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunnelling Microscopy,STM)的結果顯示,石墨烯的自旋極化態(tài)基本都局域在氫原子和二聚體所吸附的子晶格區(qū)域。這種原子尺度調控的自旋機制延伸到幾埃的距離,并導致磁矩之間發(fā)生并不常見的直接強烈的長程耦合相互作用。因此,通過原子尺度精度控制二聚體的吸附位,能夠非常靈活地裁剪所選擇石墨烯區(qū)域的磁性。最后,我們研究低磁矩Heusler半金屬Cr2Co Ga合金XA和L21結構的(001)表面態(tài)性質。半金屬完全補償?shù)蔫F磁體具有超高的自旋極化率和超低磁矩,已經(jīng)成為一種非常重要的自旋電子學材料。通過分子束外延技術生長的有序反Heusler結構的Cr2Co Ga薄膜被預測到具有低的磁矩和高的居里溫度。為了比較研究XA結構和L21結構的(001)表面態(tài)與體相材料的電子結構和磁學性質,我們執(zhí)行第一性原理計算,研究表明:(i)對XA-Cr2Co Ga結構的(001)表面態(tài)。與XA結構體相材料比較,Cr2Ga終結的(001)表面態(tài)保持著體相材料的近似半金屬性,自旋極化率也有相應提高。由于費米能級附近的自旋向上(上旋態(tài))電子表面態(tài)的突出影響,Cr1Co終結的表面態(tài)破壞了體相的半金屬性。XA結構兩種終結的表面態(tài)的Cr原子磁矩明顯增大,在Cr、Co和Ga原子化學勢允許取值的變化范圍,Cr2Ga終結的(001)表面態(tài)比Cr1Co終結的(001)表面態(tài)更穩(wěn)定。(ii)對L21-Cr2Co Ga結構的(001)表面態(tài)。與L21結構體相材料比較,Cr1Cr2終結的(001)表面態(tài)的半金屬性顯著增強(優(yōu)于XA結構的表面態(tài)),自旋極化率達到92%(遠高于體相材料的69%)。Co Ga終結的(001)表面態(tài)的半金屬性則完全消失,自旋極化率僅有27%。L21結構兩種終結的表面態(tài)的Cr1和Cr2原子的磁性明顯增強,在Cr、Co和Ga原子化學勢允許取值的變化范圍,Cr1Cr2終結的(001)表面態(tài)比Co Ga終結的(001)表面態(tài)更穩(wěn)定。因此,不難看出XA結構Cr2Ga終結和L21結構Cr1Cr2終結的(001)表面態(tài)在自旋電子學領域可能存在某些潛在應用。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB30

【參考文獻】

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本文編號：2735672