【摘要】：自石墨烯成功制備以來,許多新型二維材料備受物理學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域研究者的關(guān)注,比如六角氮化硼、二硫化鉬以及黑磷等。作為類石墨烯結(jié)構(gòu)的硅烯具有翹曲結(jié)構(gòu),由于其電子融合了谷、自旋等多重自由度,是近年來前沿領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)心的對象之一,已在2012年由Vogt等人制備出來。對硅烯材料電子性質(zhì)的研究進(jìn)一步推動了當(dāng)代電子學(xué)概念、理論及應(yīng)用前景的發(fā)展�；诠柘⿲�(shí)驗(yàn)和理論上的最新研究進(jìn)展,本論文基于硅烯新奇的物理性質(zhì)設(shè)計(jì)了場效應(yīng)管裝置,從理論上提出自旋和谷自由度的全電學(xué)控制的方法。具體內(nèi)容安排如下:第一章主要介紹二維材料的興起、制備以及應(yīng)用前景,硅烯材料的結(jié)構(gòu)及基本的電子性質(zhì)和基于二維材料場效應(yīng)管的實(shí)驗(yàn)與理論方面的研究進(jìn)展。第二章簡單介紹研究硅烯場效應(yīng)管電子輸運(yùn)性質(zhì)常用的理論方法,包括有效質(zhì)量模型-Dirac方程理論、緊束縛近似方法、Landauer-Buttiker理論、格林函數(shù)方法以及密度泛函理論。第三章主要闡述如何利用反鐵磁場來實(shí)現(xiàn)硅烯自旋和谷自由度的獨(dú)立控制。利用有效質(zhì)量-Dirac方程和Landauer-Buttiker理論可以證明,在由一個npn結(jié)構(gòu)建的硅烯場效應(yīng)管中可以實(shí)現(xiàn)支持單谷和單自旋輸運(yùn)的谷選擇性自旋濾波器(VSSF)。這一場效應(yīng)管的p型摻雜區(qū)外加反鐵磁交換場和垂直電場,VSSF特性的實(shí)現(xiàn)得益于自旋極化的單谷狄拉克錐可電控狀態(tài)。這些結(jié)果與先前的一些理論計(jì)算結(jié)果及第一性計(jì)算的能帶結(jié)果都是一致的。第四章詳細(xì)介紹實(shí)現(xiàn)硅烯自旋-谷自由度的全電學(xué)控制的新方案。通過理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算,我們探討了鐵磁硅烯器件中的自旋谷極化輸運(yùn),其中鐵磁硅烯器件局部是被層間電場(zE)控制,通過調(diào)節(jié)zE電場可以實(shí)現(xiàn)具有100%的谷選擇的自旋極化輸運(yùn)的谷自旋過濾器。我們的結(jié)果為未來邏輯電路中同時控制谷和自旋兩種自由度提供了一條有效途徑。第五章給出總結(jié)和展望。
[Abstract]:Since the preparation of graphene, many new two-dimensional materials, such as hexagonal boron nitride, molybdenum disulfide and black phosphorus, have attracted much attention in the field of physics and material science. As a graphene-like structure, silene has warped structure, because of its electron fusion valley, spin and other multiple degrees of freedom, it is one of the most important objects in the frontier field in recent years. It was prepared by Vogt et al in 2012. The research on the electronic properties of silicene materials has further promoted the development of the concept, theory and application of modern electronics. Based on the latest research progress of silicene experiment and theory, a novel field effect transistor (FET) device is designed based on the novel physical properties of silene, and the method of all-electric control of spin and valley degrees of freedom is proposed theoretically. The main contents are as follows: in the first chapter, the rise, preparation and application prospect of two-dimensional materials, the structure and basic electronic properties of silene materials, and the research progress of experiment and theory based on two-dimensional material field effect tubes are introduced. The second chapter briefly introduces the theoretical methods commonly used to study the electron transport properties of silene FET, including effective mass model-Dirac equation theory, tight binding approximation method, Landauer-Buttiker theory, Green's function method and density functional theory. The third chapter mainly describes how to use antiferromagnetic field to realize the independent control of spin and valley degrees of freedom of silene. By using the effective mass Dirac equation and Landauer-Buttiker theory, it is proved that a valley selective spin filter (VSSF). Supporting single valley and single spin transport can be realized in a silene FET constructed by a npn structure. An antiferromagnetic exchange field and a vertical electric field are applied to the p-type doped region of the FET. The realization of the VSSF characteristics is due to the electronically controlled state of the spin-polarized single-valley Dirac cone. These results are consistent with some previous theoretical results and the energy band results of first-nature calculations. In chapter 4, a new scheme to realize all-electric control of spin-valley degree of freedom of silicene is introduced in detail. Through theoretical derivation and numerical calculation, we discuss spin valley polarization transport in ferromagnetic silicon devices, in which ferromagnetic silicon devices are partially controlled by interlaminar electric field (zE), and the spin valley polarization transport in ferromagnetic silicon devices is controlled locally by the interlayer electric field. A valley spin filter with 100% valley selective spin polarization transport can be realized by adjusting the zE electric field. Our results provide an effective way to control both the valley and spin degrees of freedom in future logic circuits. The fifth chapter gives the summary and prospect.
【學(xué)位授予單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN386

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本文編號：2466276