基于黑磷納米帶的熱自旋輸運(yùn)性質(zhì)的研究.pdf

1、近年來，科研工作者發(fā)現(xiàn)一些低維量子材料具有很好的熱電效應(yīng)和熱致自旋流效應(yīng)，使得低維材料在新型熱自旋器件中有重要應(yīng)用，并同時(shí)促進(jìn)了熱自旋電子學(xué)的發(fā)展。越來越受人矚目的新材料——黑磷已經(jīng)成功地在實(shí)驗(yàn)上制備出來。為了能實(shí)現(xiàn)其在量子器件中的應(yīng)用，本文以黑磷納米帶作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)與之相關(guān)的自旋電子學(xué)器件；并采用基于第一性原理的密度泛函理論與非平衡態(tài)格林函數(shù)理論相結(jié)合的研究方法，研究了該納米帶器件的熱自旋輸運(yùn)特性。
　　目前關(guān)于黑磷納米帶自

2、旋電子學(xué)器件的研究并不多。因此，我們構(gòu)造了一個(gè)基于鋸齒型黑磷納米帶的同質(zhì)結(jié)器件。首先，我們研究了不同寬度下黑磷納米帶在鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)下的能帶結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)隨著寬度的增加，鐵磁態(tài)的黑磷納米帶自旋向上和自旋向下的能帶將逐漸打開帶隙；隨后，我們以寬度N=15的納米帶同質(zhì)結(jié)器件為例，研究其熱自旋輸運(yùn)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)熱自旋流表現(xiàn)出較好的自旋塞貝克（Spin-Seebeck）效應(yīng)。該效應(yīng)說明鋸齒型黑磷納米帶同質(zhì)結(jié)器件可產(chǎn)生純熱自旋流。
　　考慮到低維

3、材料可以通過缺陷、摻雜等改變其電子結(jié)構(gòu)，我們對(duì)鋸齒型黑磷納米帶個(gè)別格點(diǎn)移去磷原子以形成缺陷。由于黑磷具有很好的延展性，我們對(duì)具有缺陷的黑磷納米帶進(jìn)行拉伸處理，同時(shí)納米帶邊緣用氫原子鈍化。通過對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缺陷越靠近邊緣時(shí)，黑磷納米帶自旋向上和自旋向下的能帶將逐漸打開帶隙?；谠撎匦裕覀儤?gòu)建了一個(gè)鋸齒型邊緣缺陷并拉伸的黑磷納米帶同質(zhì)結(jié)器件。取寬度N=8，隨著拉伸強(qiáng)度的增加，該納米帶自旋向上和自旋向下的帶隙將略有增加；通過調(diào)控

4、兩極的溫度，我們得到流動(dòng)方向相反且自旋取向相反的自旋流，說明該器件熱激發(fā)自旋流呈現(xiàn)出較好的自旋塞貝克效應(yīng)，電荷流較凈的熱自旋流要小很多。隨后，我們通過增加納米帶的寬度，研究其熱自旋輸運(yùn)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)取拉伸強(qiáng)度為1％，隨著納米帶寬度的增加，自旋流和電荷流都有不同程度的減小。對(duì)寬度N=10的納米帶，雖電荷流幾乎為零，但熱凈自旋流卻很小。然而，當(dāng)拉伸強(qiáng)度為8%時(shí)，器件不但呈現(xiàn)出較好的自旋塞貝克效應(yīng)，而且凈自旋流隨寬度的增加而增大，寬度增加到N

5、=10時(shí)，凈電荷流還呈現(xiàn)出了負(fù)微分電阻效應(yīng)。說明該結(jié)構(gòu)的黑磷納米帶材料對(duì)熱自旋電子學(xué)器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用是有意義的。
　　最后，我們討論了懸掛硫原子的鋸齒型黑磷納米器件的熱自旋輸運(yùn)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)只有在鐵磁態(tài)下該結(jié)構(gòu)的能帶才會(huì)出現(xiàn)自旋劈裂現(xiàn)象，而且會(huì)隨著寬度增加變得穩(wěn)定；但是拉伸并不會(huì)造成加硫鈍化的黑磷材料改變性質(zhì)。這樣的器件誘導(dǎo)的熱自旋流有非常好的自旋過濾效應(yīng)，因?yàn)橹挥凶孕蛏系碾娏髟谡麄€(gè)溫度調(diào)節(jié)的過程中變化，而自旋向下的電流卻始終保持為