自旋電子學(xué)是通過控制電子的自旋實現(xiàn)信息的傳遞,熱電子學(xué)是利用溫度差驅(qū)動產(chǎn)生電流�；谧孕娮訉W(xué)與熱電子學(xué)結(jié)合的熱自旋電子學(xué)研究為未來新型納米功能材料的設(shè)計提供了新的思路。這種方法具有信息傳遞速度快、能耗低、信息存儲和處理的集成度高等優(yōu)點(diǎn),一定程度上打破了目前集成電路集成度難以再升高的局限。同時在自旋電子學(xué)中,具備自旋極化率為100%的半金屬輸運(yùn)材料也得到了廣泛的研究和應(yīng)用,半金屬材料被認(rèn)為是未來自旋電子學(xué)器件如自旋過濾器件、自旋二極管、自旋三極管等等的理想自旋注入材料。本文基于第一性原理的計算,研究了利用硼（B）原子和氮（N）原子共摻雜石墨烯納米帶分別實現(xiàn)熱自旋輸運(yùn)和半金屬輸運(yùn),具體分為以下兩個工作:（1）我們分析研究了石墨烯納米帶的輸運(yùn)性質(zhì)和B-N原子邊緣共摻雜鐵磁態(tài)石墨烯納米帶的熱自旋電流輸運(yùn)性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn),在鐵磁態(tài)本征鋸齒形石墨烯納米帶的結(jié)構(gòu)中,不同自旋方向的電子在費(fèi)米能級附近的透射譜函數(shù)值恒為1,不具備產(chǎn)生自旋電流的功能。當(dāng)給這種結(jié)構(gòu)的最邊緣處分別摻雜B、N原子的時候,不同自旋方向的電子在費(fèi)米能級附近的透射譜曲線呈現(xiàn)出類似于‘X’的交叉現(xiàn)象。在給這種B-N原子摻雜在鋸齒形石墨烯... 

【文章來源】：合肥工業(yè)大學(xué)安徽省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：54 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

1石墨烯構(gòu)成的富勒烯，碳納米管，多層石墨由于二維石墨烯具備獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，它在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的研究中占有很重要的位置[13,14]

合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)碩士研究生學(xué)位論文3圖1.1.2（a）扶手椅型石墨烯納米帶；（b）鋸齒形石墨烯納米帶自從二維石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，掀起了對它物理性質(zhì)研究的熱潮，從它表現(xiàn)出的性質(zhì)來看，未來將有極大的可能被選為很多電子器件的制作材料，比如利用石墨烯的吸附敏感性制作傳感器[21]；利用它的穩(wěn)定性以及半導(dǎo)體性質(zhì)制作納米晶體管[22]；利用石墨烯的光學(xué)特性制作新能源電池[22]，等等。未來的世界必然對綠色發(fā)展有更強(qiáng)的依賴性，面對目前集成電路發(fā)展的熱散問題和集成度瓶頸以及摩爾定律力不從心的現(xiàn)狀，利用電子的自旋屬性實現(xiàn)信息通訊取代利用電子的電荷屬性是新的思路。在2008年，WeiL.Wang等人將石墨烯納米薄片裁減成合適的形狀[23]，研究其自旋電子的分布特性，發(fā)現(xiàn)石墨烯的磁性對其形狀具有很強(qiáng)的依賴性，而且，通過觀察多種形狀的石墨烯納米片，發(fā)現(xiàn)它們具有理想的自旋分布，這說明石墨烯為自旋電子納米器件打開了新大門。那么石墨烯是否也可以作為自旋電子學(xué)的可選材料呢？其實，早在2007年，OhishiM等人在室溫下對石墨烯薄膜進(jìn)行自旋電流的研究[24]，它們使用非局域磁電阻測量方法，觀察到了磁阻效應(yīng)，而且電荷流和自旋流被完全分離，他們的研究結(jié)果證實了利用石墨烯薄膜產(chǎn)生自旋電流的可能性。石墨烯可以產(chǎn)生自旋電流的潛力被發(fā)現(xiàn)之后，引發(fā)了很多研究人員探究促使石墨烯產(chǎn)生自旋電流的方法，但大多都是采用電壓差驅(qū)動自旋電流的產(chǎn)生，造成能耗較高的負(fù)面影響，比如在2010年，PaoloMichetti等人發(fā)現(xiàn)石墨烯會受到鐵磁性氧化物的影響[25]，他們利用二者設(shè)計了雙柵場效應(yīng)管，把石墨烯和鐵磁氧化物作為柵極介質(zhì)，然后對柵極施加電壓差，產(chǎn)生了自旋電流。而在2011年，MinggangZeng等人給鋸齒形石墨烯納米帶的兩個電極施加溫度差[2]，發(fā)現(xiàn)了這種

磁性系統(tǒng)來說，它的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性很高，很難丟失數(shù)據(jù)，具有非易失性。這個性質(zhì)為數(shù)據(jù)存儲和處理的同時進(jìn)行提供了條件，所以很好的在存儲器件上得到了廣泛的應(yīng)用。另外，具備自旋電子學(xué)效應(yīng)的材料很多是新型二維納米半導(dǎo)體材料，具備集成密度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，可編程，壽命長等特點(diǎn)，針對目前集成電路集成度的技術(shù)發(fā)展瓶頸無疑打開了一條新的科學(xué)道路。熱電子學(xué)的發(fā)現(xiàn)是在1821年，德國物理學(xué)家塞貝爾在做物理實驗時，用一根鐵絲和一個電流表連接在一起，組成一個閉合回路，他將這個回路的一端放入溫度較低的冰水中，另一端加熱，如圖2.1.1所示[44]。結(jié)果，電流表上有數(shù)字顯示，表示這個閉合回路有電流產(chǎn)生，塞貝克稱之為熱電流，這一電路叫做“熱電偶電路”。之所以會產(chǎn)生電流，是因為溫度的高低會影響粒子的活性，在這個電路中，兩端出現(xiàn)溫度差，在溫度較高的一側(cè)，粒子的運(yùn)動相比于溫度較低的那一側(cè)劇烈，迫使導(dǎo)體中能自由移動的粒子從溫度較高的一端向溫度較低的一端移動，形成電流。這種由溫度差而非電壓差產(chǎn)生電流的現(xiàn)象屬于熱電子學(xué)。其實，這種現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，并沒有得到廣泛的應(yīng)用，因為利用溫度差產(chǎn)生的電流，具有不穩(wěn)定性，另外，這種方法使用的成本較高，不便捷，而且產(chǎn)出即獲得的電能又很小，人們更青睞于給導(dǎo)體施加電壓差。直到20世紀(jì)50年代，隨著半導(dǎo)體材料科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在半導(dǎo)體領(lǐng)域，利用熱電子學(xué)構(gòu)成溫差電偶系統(tǒng)的熱電效應(yīng)相當(dāng)顯著，到六十年代，熱電子學(xué)才達(dá)到了實用化階段[45]。圖2.1.1熱電流的產(chǎn)生隨著量子力學(xué)這一物理學(xué)理論的創(chuàng)立，讓人們更清楚的認(rèn)識了物質(zhì)世界里微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律，也為半導(dǎo)體材料的發(fā)展提供了堅實的理論基矗半導(dǎo)體晶體管的飛速發(fā)展，器件尺寸越來越小，已經(jīng)達(dá)到了納米級別，量子效應(yīng)也應(yīng)運(yùn)而生。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]石墨烯結(jié)構(gòu)調(diào)控、功能組裝及其應(yīng)用研究[D]. 趙揚(yáng).北京理工大學(xué) 2015



本文編號：2981239