二維材料納米條帶量子輸運(yùn)與熱電性質(zhì)研究.pdf

1、二維狄拉克電子體系，包括石墨烯、拓?fù)浣^緣體和硅烯等，由于其能帶在費(fèi)米能級(jí)附近具有線性色散的狄拉克錐結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出無(wú)質(zhì)量手征特性，因而需采用類狄拉克方程來(lái)描述。由于這類體系中可以實(shí)現(xiàn)許多新穎量子效應(yīng)，如量子自旋霍爾效應(yīng)和量子反?；魻栃?yīng)等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)能耗或低能耗的電子傳輸，在自旋電子學(xué)和谷電子學(xué)方面具有重要的基礎(chǔ)意義和應(yīng)用背景，近年來(lái)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。本學(xué)位論文工作采用非平衡格林函數(shù)方法，較系統(tǒng)地研究了二拓?fù)浣^緣體Hall bar、硅

2、烯納米條帶鐵磁電極下的量子輸運(yùn)與熱電性質(zhì)，旨在為未來(lái)基于二維狄拉克電子體系的納米（自旋/谷）電子器件的設(shè)計(jì)提供物理基礎(chǔ)。
　　全文共分為六章。第一章為緒論，簡(jiǎn)要介紹了二維和三維拓?fù)浣^緣體以及硅烯這類狄拉克電子材料的理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)制備，以及相關(guān)的自旋軌道耦合與量子自旋霍爾效應(yīng)。第二章詳細(xì)介紹了本文中采用的Landauer-Bütittiker公式和非平衡格林函數(shù)方法。
　　第三章研究了正常/鐵磁/正常二維拓?fù)浣^緣體的能帶結(jié)構(gòu)和

3、自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)，其中鐵磁區(qū)域由摻雜磁性Mn原子來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們發(fā)現(xiàn)，有限尺寸的量子限制會(huì)使得體系的能帶打開(kāi)帶隙;摻雜磁性Mn原子所產(chǎn)生的交換場(chǎng)會(huì)引起能帶自旋劈裂并打破自旋簡(jiǎn)并的電導(dǎo);通過(guò)調(diào)節(jié)費(fèi)米能量和交換場(chǎng)強(qiáng)度，或者通過(guò)調(diào)節(jié)費(fèi)米能量和鐵磁區(qū)域長(zhǎng)度，體系可以實(shí)現(xiàn)從量子自旋霍爾態(tài)到量子反常霍爾態(tài)的轉(zhuǎn)換。這些結(jié)果能為設(shè)計(jì)無(wú)耗散的自旋過(guò)濾器件提供理論依據(jù)。
　　第四章研究了鋸齒型硅烯納米條帶(ZSiNR)和扶手椅型硅烯納米條帶(ASiNR)

4、的能帶結(jié)構(gòu)和電子輸運(yùn)性質(zhì)。硅烯由于其錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，其納米條帶都不具備σ鏡面對(duì)稱特征，我們發(fā)現(xiàn)ZSiNR的電子輸運(yùn)性質(zhì)卻存在對(duì)稱性，從而導(dǎo)致當(dāng)ZSiNR的原子鏈數(shù)N取偶數(shù)時(shí)體系的磁阻可以達(dá)到100％，而N取奇數(shù)時(shí)則沒(méi)有此性質(zhì)，所以采用偶數(shù)的N-ZSiNR來(lái)設(shè)計(jì)自旋閥器件比采用奇數(shù)的更具優(yōu)異性。我們同時(shí)研究了ZSiNR的自旋轉(zhuǎn)矩隨兩鐵磁電極磁化方向的相對(duì)夾角以及隨費(fèi)米能量的變化，發(fā)現(xiàn)隨夾角呈現(xiàn)出類似正弦函數(shù)的變化關(guān)系，隨費(fèi)米能量的變化則關(guān)于狄拉

5、克點(diǎn)反對(duì)稱。此外，安德森無(wú)序?qū)ψ孕D(zhuǎn)矩的影響在狄拉克點(diǎn)附近區(qū)域比較敏感，而遠(yuǎn)離狄拉克點(diǎn)的區(qū)域則基本不受較小安德森無(wú)序的影響。另外，我們發(fā)現(xiàn)ASiNR的能帶帶隙隨著其寬度N的增加，以3為周期振蕩減小。如果滿足N=3n+2則體系是金屬（其中n是正整數(shù)），否則就是半導(dǎo)體。金屬型和半導(dǎo)體型ASiNR的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)都可以通過(guò)有效自旋軌道耦合強(qiáng)度和垂直電場(chǎng)來(lái)調(diào)控。最后，我們發(fā)現(xiàn)較小的安德森無(wú)序?qū)SiNR中的電導(dǎo)基本沒(méi)有影響，
　　第五

6、章研究了ZSiNR在外加垂直電場(chǎng)下的熱電性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)ZSiNR的熱電性質(zhì)同樣具有對(duì)稱性，類似于其在第四章中研究過(guò)的電子輸運(yùn)性質(zhì)。在無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，6-ZSiNR其自旋塞貝克系數(shù)比7-ZSiNR的要大1個(gè)數(shù)量級(jí)。但是，隨著外加垂直電場(chǎng)的增強(qiáng)，6-ZSiNR其自旋塞貝克系數(shù)減小，而7-ZSiNR的則隨之增大。通過(guò)調(diào)節(jié)電場(chǎng)的大小，7-ZSiNR的自旋塞貝克系數(shù)其絕對(duì)值可以增大至6-ZSiNR的一樣大接近200μV/K。我們進(jìn)一步考慮了溫度和磁化

7、強(qiáng)度對(duì)自旋塞貝克系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增加，6-ZSiNR中的自旋塞貝克系數(shù)減小，而7-ZSiNR的則增大。鐵磁強(qiáng)度對(duì)6-和7-ZSiNR的自旋塞貝克系數(shù)影響定性上相同。最后，我們研究了磁化強(qiáng)度對(duì)自旋熱電品質(zhì)因子的影響，發(fā)現(xiàn)隨著磁化強(qiáng)度的增加，6-和7-ZSiNR的自旋熱電品質(zhì)因子都增大，但6-ZSiNR中的自旋熱電品質(zhì)因子比7-ZSiNR的要大4個(gè)數(shù)量級(jí)。我們的研究結(jié)果也表明采用偶數(shù)的N-ZSiNR來(lái)設(shè)計(jì)熱電器件比采用奇數(shù)的明顯更