锯齿型石墨烯纳米带边界带的调控

发布时间：2020-05-03 14:52

【摘要】：由于石墨烯优异的电子学特性,最近几年引起越来越多人的关注,之后人们对石墨烯纳米带的能带结构和电输运性质进行了大量理论研究。早期理论研究提出了零能隙无质量Dirac粒子色散关系,发现二维窄锯齿型石墨烯纳米带具有零能的边界带。但是其零带隙的特点限制了它们在电子学器件上的应用。为此,科学家不断的探寻打开石墨烯带隙的方法。本论文中,基于包含自洽格点在位库仑能的Kane-mele模型,研究窄锯齿型石墨烯纳米带,我们试图探索调控其中四个边界带能带结构的方法。首先,考虑环境对边界处键长的影响,我们通过调节边界处原子间的跃迁系数来进行理论模拟环境对边界带结构的影响。当锯齿型石墨烯纳米带的两个边界处在同一环境中,通过双边调控理论模拟表明能带结构依旧保持k空间对称性,随着跃迁系数的增大,边界带的费米波矢都在向0.5靠近,能隙线性减小。如果将锯齿型石墨烯纳米带的两边放在不同环境中,通过单边调控理论模拟表明能带结构对称性被破坏,随着跃迁系数的减小,该边界对应的边界态范围扩大。因此,可以通过调节边界处原子间的跃迁系数来调控不同边界带的能带结构参数。其次,在锯齿型石墨烯纳米窄带平面内加入横向电场,我们详细研究了四个边界带能带结构随强度的变化过程。研究结果显示,当电场强度较弱时,外加电场的方向可以调控自旋向下的两个边界带一起朝不同方向移动,导致波矢q=0.5处自旋向下的两个纯边界态的能量简并劈裂方向可由电场调控;当电场强度进一步增强到超过0.69 V/nm,自旋向下的两个边界带出现较大带隙,能带反转,而自旋向上的电子结构无能隙,系统呈现半金属性,同时QSH体系不再是B类。特别当电场强度为1.17V/nm时,在自旋向下能带的能隙中q=0.5处存在自旋向上的纯边界态,意味着在8格点边界处可以产生自旋向上的纯边界电流。当电场强度持续增加时,QSH系统从B类到C类经历3个阶段的变化。当电场强度超过1.42 V/nm后,自旋向上的两个边界带也出现能带反转,分别成为导带和价带,系统成为C类的普通量子霍尔体系。
【图文】：

石墨,紧束缚模型,几何结构,单层

第一章绪论逡逑１．１单层石墨烯的几何结构及能带结构逡逑石墨烯是单层碳原子组成的二维蜂窝状结构，见图１．１所示。每个碳原子核逡逑外都有６个电子，其中２个层内电子与原子核构成原子实，另外４个外价电子与临逡逑近的碳原子外价电子通过杂化形成稳定的２ｓ、２／７，．、２／；，、２／７；４个轨道，其中２ｓ、逡逑２ｐＹ、２凡．通过杂化与邻近的碳原了？形成稳定的0■键，剩下的２ｐ＿轨道电子叫逡逑疋电子，它受原子核的束缚力比较弱，可以Ｕ山运动，形成一个与石墨烯表面垂逡逑直的；ｒ轨道。逡逑小逡逑ｙ逡逑ＬＹ＇ｒ＾逡逑图１．１单层石墨烯几何结构逡逑在紧束缚模型下，电了的结构主要山；Ｔ轨道屯子决定，下面主要计算石墨烯逡逑的单电子能带结构。ｆｌ墨烯的原胞内包含两个不等价的碳原子，则系统的哈密顿逡逑量为逡逑Ｈ邋－邋＇Ｓ）＇ｊｉｉｃ＊ｃｉ邋＋邋ｈ．ｃ逦（１．１）逡逑（ｕ）逡逑其中Ｘ表示只对最近邻格点求和，表示最近邻格点之间的跃

石墨,第一性原理,氢化,能带结构

灥逡逑图１．２石墨烯的能带结构逡逑Ｓｏｆｏ等人通过第一性原理研究石墨烯的氢化过程［，完全饱和的氢化此时逡逑可打^u３．邋５ｅＶ的带隙，见图１．邋３所示。在３．邋５ｅＶ范围之内态密度一直为零，即石逡逑墨烯打开了一定的带隙。逡逑Ｍａｒｔｉｎａｚｚｏ等人运用紧束缚近似研究周期性破缺对石墨烯带隙的影响ｍ，逡逑见图１．邋４所示。汁箅结果表明，通过引入周期性Ｐ，轨道破缺形成的的正六逡逑边形结构时，，在石墨烯屮形成超晶格结构并打开带隙。逡逑另－类是间接破坏石墨烯的晶格结构，？般通过引入外电场衬底等破逡逑坏石墨烯的对称性？°］、ＳＯ自旋轨道耦合效应［：”邋：１２１、外加应力等方发从而打开带逡逑隙“ｗ１。有关双层和三层石墨烯，现在已经有很多研究表明，施加垂直方向上的逡逑电场对石墨烯带隙的调控，而且带隙的大小随电场的强弱可调。Ｙｕａｎｂｏ邋Ｚｈａｎｇ［Ｍ］逡逑等人在双层石墨烯垂直方向加电场，通过调节电场的大小，石墨烯从零能隙慢慢逡逑出现带隙
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.71;TB383.1

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