拓撲調(diào)控對螺旋型石墨烯電子輸運性質(zhì)影響的研究.pdf

1、低維納米材料的發(fā)現(xiàn)和制備，推動了電子器件小型化、集成化、多功能化的快速發(fā)展。由于維度受限，許多獨特的量子特征使其明顯區(qū)別于宏觀三維結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，這些優(yōu)越的性能為多功能量子化電子器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。石墨烯作為低維材料體系重要的一員，具有完美的晶格結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電子特征，被視為代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅基電子器件最具潛力的材料之一。人們通過各種手段對石墨烯的幾何結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，實現(xiàn)對其電子結(jié)構(gòu)的完美調(diào)控，以滿足不同功能器件的需求。最近，具有

2、空間螺旋型幾何結(jié)構(gòu)特征的石墨烯，即螺旋型石墨烯，引起了人們的研究興趣。原因在于，螺旋型石墨烯同時具有單層石墨烯和多層石墨烯的結(jié)構(gòu)特征和相互作用。其獨特的幾何結(jié)構(gòu)和電子特征，為多功能電子器件的設(shè)計和制造提供了更多的可能性，具有潛在的應(yīng)用前景和研究價值。
　　本文主要研究螺旋型石墨烯在邊緣摻雜、邊緣異構(gòu)和軸向應(yīng)力作用下，電子結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)的變化特征。分析挖掘螺旋型石墨烯作為電子器件或自旋電子器件的輸運機理，同時闡述層間相互作用對一維無

3、限螺旋型石墨烯電子結(jié)構(gòu)的影響，具體可分為如下內(nèi)容：
　　基于密度泛函理論(DFT)，結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法，研究硫原子邊緣摻雜對螺旋型石墨烯作為電子器件的影響。螺旋型石墨烯通過能與金原子進行強耦合的硫醇基團與金電極連接構(gòu)建分子電子器件。研究表明，在外施偏壓下，流經(jīng)初始螺旋型石墨烯的總隧穿電流主要由載流子層間隧穿貢獻，并未沿螺旋結(jié)構(gòu)形成螺旋電流。而經(jīng)過硫原子邊緣摻雜，沿螺旋型分子邊緣的載流子傳輸路徑被打開，形成螺旋電流，而且總隧穿電

4、流的強度在較大偏壓條件下得到了明顯增強。另外，隧穿電流對外施偏壓的響應(yīng)還展現(xiàn)出負微分電阻效應(yīng)(NDR)。上述輸運性質(zhì)為螺旋型石墨烯作為異質(zhì)結(jié)分子電子器件提供了理論預(yù)測。
　　螺旋型石墨烯還可被應(yīng)用于空間自旋電子器件。通過邊緣異構(gòu)化，引入碳六元環(huán)構(gòu)建三角形邊緣結(jié)構(gòu)，可以誘導(dǎo)螺旋型石墨烯產(chǎn)生多種自旋極化邊緣態(tài)，進而調(diào)控自旋極化載流子的隧穿模式。在外施偏壓作用下，初始螺旋型石墨烯自旋極化輸運特征只由鋸齒型石墨烯電極貢獻，層間隧穿依然是載

5、流子的主要傳輸模式，且隧穿強度相對較弱。在邊緣引入三角形結(jié)構(gòu)后，螺旋型石墨烯的自旋輸運特征得到了明顯的增強，同時誘導(dǎo)自旋極化載流子向中間螺旋結(jié)構(gòu)擴散。對于一些體系沿螺旋結(jié)構(gòu)的邊緣產(chǎn)生了完美螺旋電流。構(gòu)建三角形結(jié)構(gòu)數(shù)量和位置不同，相應(yīng)的體系也展現(xiàn)出不同的自旋輸運特征。
　　一維無限螺旋型石墨烯在邊緣異構(gòu)和軸向應(yīng)力的作用下，可以實現(xiàn)半導(dǎo)體——金屬性的相變轉(zhuǎn)換。在平衡狀態(tài)下，具有自旋極化結(jié)構(gòu)特征的螺旋型石墨烯并不顯示磁性特征，原因在于較