本文關(guān)鍵詞：類石墨烯的谷電子輸運研究

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【摘要】：近年來,基于二維類石墨烯材料中的谷電子學(xué)受到了研究人員的廣泛關(guān)注,這是因為狄拉克電子的谷自由度和電子的自旋自由度一樣,被認(rèn)為可以用來作為信息的載體。目前谷電子學(xué)仍然處于發(fā)展的初期,谷電子流的產(chǎn)生、調(diào)控和探測是這個領(lǐng)域的核心問題。本論文將從這三個方面出發(fā)研究谷電子在不同環(huán)境體系下的輸運特性。我們首先在搭扣結(jié)構(gòu)的二維硅烯中提出利用空間交錯靜電勢場來獲得純谷流。研究表明,由于靜電勢場可以導(dǎo)致二維硅烯為谷拓?fù)浣^緣體,相反的靜電勢場則可定義相反的谷陳數(shù),所以空間交錯靜電勢場能產(chǎn)生多重受拓?fù)浔Ｗo(hù)的谷拓?fù)浣缑鎽B(tài),它支撐無耗散的純谷流形成。在具有自旋軌道相互作用的情形下,這些拓?fù)浣缑鎽B(tài)可形成谷自旋耦合界面態(tài)。在磁化的二維硅烯和單層二硫化鉬系統(tǒng)中,我們計算系統(tǒng)的相圖,發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)可形成谷、自旋以及它們耦合的半金屬態(tài),這些量子態(tài)可以用來制作各類谷閥或者谷自旋閥電子器件。為了進(jìn)一步調(diào)控谷自由度,我們研究了石墨烯超晶格系統(tǒng)。發(fā)現(xiàn)由于原胞的擴(kuò)大,導(dǎo)致原先的K谷和K'谷的耦合,從而在系統(tǒng)中形成了類似于半導(dǎo)體中的Rashba自旋軌道耦合的贗谷交換相互作用。通過散射模型的計算,我們證明了這種的贗谷交換相互作用可以用來調(diào)控谷自由度,并且當(dāng)電子的能量大于可能的系統(tǒng)能隙時,谷自由度在空間的進(jìn)動只與贗谷交換相互作用有關(guān),從而可以實現(xiàn)任何可能的K谷和K’谷的疊加態(tài)。最后我們研究了谷電子的探測。通過模擬實驗上的四端霍爾條裝置,計算了量子谷霍爾效應(yīng)導(dǎo)致的非局域電阻率開NL。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)霍爾條的寬度大于其長度即ωl時,非局域電阻率是量子化的,RNL=h/e2;而在相反的情形下lω,非局域電阻率是指數(shù)減小的。其物理原因是因為谷自由度定義在倒空間,與器件本身的外廓形狀密切相關(guān),從而在lω條件下,逆量子谷霍爾效應(yīng)會導(dǎo)致谷間散射的存在。這些發(fā)現(xiàn)與實驗結(jié)果一致,并說明了實驗為什么沒觀察到量子化的RNL。我們還發(fā)現(xiàn)量子化的非局域電阻率非常穩(wěn)健,獨立于器件的毛邊和靜態(tài)無序。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O469

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本文編號：1287369