類石墨烯材料中巨磁阻和熱電效應(yīng)的研究.pdf

1、本論文利用結(jié)合密度泛函理論與非平衡格林函數(shù)的第一性原理方法和緊束縛模型研究了類石墨烯納米帶中的電輸運(yùn)、磁輸運(yùn)和熱電性能。詳細(xì)討論了鋸齒型?石墨炔納米帶的奇偶特性，邊緣摻雜對(duì)納米帶的電導(dǎo)譜、巨磁阻效應(yīng)和熱電效應(yīng)的影響。通過(guò)石墨烯緊束縛模型的解析分析及輸運(yùn)與系統(tǒng)特征參數(shù)關(guān)系的計(jì)算對(duì)這些性質(zhì)進(jìn)行了深入的理解。本文的要點(diǎn)如下：
　　1.運(yùn)用密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的方法研究了鋸齒型?石墨炔納米帶兩極系統(tǒng)自旋相關(guān)的電學(xué)性質(zhì)。通過(guò)理

2、論計(jì)算模擬，我們首先預(yù)測(cè)在完美的偶數(shù)寬度鋸齒型?石墨炔納米帶中可實(shí)現(xiàn)高達(dá)10<'6>％的巨磁阻效應(yīng)而在奇數(shù)寬度納米帶中磁阻則總是很小。通過(guò)對(duì)鐵磁納米帶中費(fèi)米能附近波函數(shù)的分析，理解了偶數(shù)寬度納米帶中波函數(shù)橫向幾何對(duì)稱性導(dǎo)致這些奇偶效應(yīng)的物理原因。在鐵磁電極磁化反平行構(gòu)型下，奇數(shù)寬度納米帶每種自旋的電導(dǎo)譜在費(fèi)米能處為高度G0=e2/h的平臺(tái)，而偶數(shù)寬度納米帶對(duì)應(yīng)的是一個(gè)寬度為0.15eV的電導(dǎo)隙。有意思的是，如果將中心區(qū)磁化翻轉(zhuǎn)處的邊緣碳

3、原子替換成其它原子，上述的奇偶效應(yīng)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)反平行構(gòu)型下兩極系統(tǒng)散射態(tài)的分析，我們發(fā)現(xiàn)在奇數(shù)寬度的納米帶中，雜質(zhì)原子會(huì)阻礙邊緣態(tài)的擴(kuò)展，因而導(dǎo)致電導(dǎo)降低。而在偶數(shù)寬度的納米帶中，雜質(zhì)原子破壞了量子態(tài)的橫向?qū)ΨQ性，解除了對(duì)稱性對(duì)電子輸運(yùn)的限制，使電導(dǎo)升高。由于在電極磁化平行構(gòu)型下納米帶電導(dǎo)的奇偶效應(yīng)很弱，且對(duì)摻雜不敏感，這樣巨磁阻效應(yīng)只出現(xiàn)在偶數(shù)寬度的完美納米帶或奇數(shù)寬度的摻雜納米帶中。這個(gè)結(jié)果表明我們可以在很大范圍內(nèi)通過(guò)邊緣摻雜來(lái)

4、控制這種材料中的磁阻效應(yīng)。
　　2.系統(tǒng)地研究了線性響應(yīng)條件下不同寬度（寬度n=3,4,5和6）鋸齒型α石墨炔納米帶兩極系統(tǒng)中摻雜對(duì)自旋熱電效應(yīng)的增強(qiáng)。在完美的鐵磁納米帶中，要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)自旋熱電效應(yīng)、獲得比電荷塞貝克系數(shù)SC高的自旋塞貝克系數(shù)SS是很困難的。邊緣摻雜能破壞系統(tǒng)的幾何對(duì)稱性并增強(qiáng)自旋熱電效應(yīng)。這種增強(qiáng)的程度依賴于納米帶的寬度以及摻雜類型和位置。在電極磁化平行構(gòu)型下，用Ⅴ主族元素N原子進(jìn)行摻雜可使寬度n=5和6的納米帶在很

5、大的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) SS>>SC，在室溫下可以大10倍。在反平行構(gòu)型下，如果在磁化翻轉(zhuǎn)位置之外的邊緣處摻雜，在偶數(shù)寬度的納米帶中可以實(shí)現(xiàn) SS>>SC。這時(shí)在低溫下能存在非常穩(wěn)定的強(qiáng)自旋熱電效應(yīng)。并且在特定溫度下，當(dāng)電荷塞貝克系數(shù)為零時(shí)該材料中的溫差可以產(chǎn)生純自旋流。
　　3.鑒于類石墨烯二維材料的相似性以及各種化學(xué)修飾對(duì)其輸運(yùn)性質(zhì)顯著調(diào)制作用，結(jié)合緊束縛近似模型和格林函數(shù)方法，我們?cè)噲D建立一個(gè)適用于這些材料的通用輸運(yùn)模型，更加系

6、統(tǒng)地研究并理解原子無(wú)序?qū)︻愂┘{米帶的輸運(yùn)性質(zhì)和熱電特性的影響。通過(guò)在完美石墨烯鐵磁納米帶緊束縛模型中加入一個(gè)可以連續(xù)變化的缺陷勢(shì)來(lái)模擬各種化學(xué)修飾帶來(lái)的無(wú)序，我們研究了邊緣原子位置缺陷勢(shì)對(duì)納米帶性質(zhì)的影響。我們仔細(xì)分析了缺陷勢(shì)逐漸變大時(shí)系統(tǒng)輸運(yùn)從量變到質(zhì)變的過(guò)程。結(jié)果表明我們用第一性原理模擬得到的結(jié)果普遍存在于類石墨烯二維材料中。原子無(wú)序可以打開(kāi)（關(guān)閉）奇數(shù)（偶數(shù)）寬度鋸齒型類石墨烯材料納米帶中的巨磁阻效應(yīng)。這是因?yàn)樵陔姌O磁化平行構(gòu)