石墨烯輸運性質(zhì)的平衡方程方法研究.pdf

1、石墨烯,具有意料之外的極佳的晶體學(xué)和電子學(xué)特性的一種嚴格二維材料,在材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理前沿吸引了眾多研究的目光。盡管它的歷史很短,但其因獨特的電子能帶結(jié)構(gòu),已經(jīng)在新興的物理領(lǐng)域和潛在應(yīng)用方面展現(xiàn)出不可估量的前景。因此,它迅速成為“相對論”凝聚態(tài)物理中的一個新名詞,使得在高能物理中很難觀測到的相對論量子效應(yīng)可以在普通的實驗平臺上進行模擬和測試。更普遍地來說,石墨烯代表了一種概念上全新的材料,它只有一個原子大小的厚度,基于此,在低維物理這

2、個已經(jīng)令我們驚喜不斷并擁有著豐富實際應(yīng)用的基礎(chǔ)領(lǐng)域里,又多了一條研究的新途徑。
　　 在這篇論文中,我們把重點放在了石墨烯在非線性穩(wěn)態(tài)及太赫茲(THz)輻照條件下熱電子輸運的理論研究方面。我們通過考慮電子-雜質(zhì)、電子-聲學(xué)支聲子和電子-光學(xué)支聲子的散射,建立了一個石墨烯電子輸運的平衡方程理論模型,平衡方程理論曾成功應(yīng)用于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、量子阱、量子線、超晶格等材料輸運性質(zhì)的研究。最后,我們對石墨烯中的熱電效應(yīng)做了數(shù)值計算,結(jié)果同實

3、驗測量符合得很好。整篇論文按照如下順序編排:
　　 在第一章中,我們對石墨烯,這個材料科學(xué)領(lǐng)域迅速升起的新星,做了一個廣泛而又簡明的介紹。這章提供了很多關(guān)于石墨烯的發(fā)現(xiàn)、制備、性質(zhì)及潛在應(yīng)用的背景材料。
　　 在第二章的第一部分中,我們利用緊束縛近似的方法,完整推導(dǎo)出了石墨烯在Dirac點附近錐狀的能帶結(jié)構(gòu)。在第二章的第二部分,簡要介紹了單能帶f或能谷)近似下的平衡方程方法,其中包括一個動量平衡方程和一個能量平衡方程,此

4、外,更多的各種處理細節(jié)則列在了附錄中。
　　 論文的余下三章,即從第三章至第五章,是和我們原創(chuàng)的研究工作所相關(guān)的一些內(nèi)容。
　　 在第三章中,我們首先基于第二章的第二部分所建立的理論,討論了石墨烯中的散射相互作用,包括電子一雜質(zhì)和電子一聲子散射。然后,運用平衡方程方法和之前討論結(jié)果,我們研究了石墨烯在直流穩(wěn)態(tài)條件下的非線性輸運。我們發(fā)現(xiàn),當電場強度E超過約為0.1 kV/cm的臨界值時,電導(dǎo)率σ隨E的依賴關(guān)系就會表現(xiàn)出很

5、強的非線性效應(yīng)。我們同時發(fā)現(xiàn),在晶格溫度較低時,隨著E的增加,電子溫度Te會迅速上升到大約300至400K。這個效應(yīng)是由于電子.光學(xué)支聲子散射在Te>300 K時變得非常強烈,從而形成了一個等效的能量耗散途徑。我們還從平衡方程的輸運結(jié)果的線性極限下求得了線性電導(dǎo)率σ=20e2/hN/ni,并與之同其它人的理論和實驗工作做了比較。
　　 在第四章中,基于第三章中所討論的散射機制,我們研究了摻雜的單層石墨烯在太赫茲強電場下的輸運性質(zhì)

6、。運用Runge-Kutta法數(shù)值求解含時的平衡方程,我們得到了在太赫茲輻照下漂移速度和電子溫度在穩(wěn)態(tài)振蕩下的時間演化規(guī)律,同時對漂移速度的相位偏離和扭曲畸變隨頻率的依賴關(guān)系也做了研究。結(jié)果表明石墨烯可能在太赫茲波的三倍頻器件上有所應(yīng)用。我們還計算了太赫茲光致電導(dǎo)率,發(fā)現(xiàn)隨著隨著太赫茲場強的增大,光致電導(dǎo)率會迅速減小。這個事實也意味著,摻雜石墨烯可以作為探測太赫茲輻照的一種基本材料。
　　 在第五章中,我們運用平衡方程方法從理論