基于硼氮共掺杂锯齿形石墨烯纳米带的热自旋和半金属输运研究
发布时间：2021-01-16 17:32
自旋电子学是通过控制电子的自旋实现信息的传递,热电子学是利用温度差驱动产生电流。基于自旋电子学与热电子学结合的热自旋电子学研究为未来新型纳米功能材料的设计提供了新的思路。这种方法具有信息传递速度快、能耗低、信息存储和处理的集成度高等优点,一定程度上打破了目前集成电路集成度难以再升高的局限。同时在自旋电子学中,具备自旋极化率为100%的半金属输运材料也得到了广泛的研究和应用,半金属材料被认为是未来自旋电子学器件如自旋过滤器件、自旋二极管、自旋三极管等等的理想自旋注入材料。本文基于第一性原理的计算,研究了利用硼（B）原子和氮（N）原子共掺杂石墨烯纳米带分别实现热自旋输运和半金属输运,具体分为以下两个工作:（1）我们分析研究了石墨烯纳米带的输运性质和B-N原子边缘共掺杂铁磁态石墨烯纳米带的热自旋电流输运性质。我们发现,在铁磁态本征锯齿形石墨烯纳米带的结构中,不同自旋方向的电子在费米能级附近的透射谱函数值恒为1,不具备产生自旋电流的功能。当给这种结构的最边缘处分别掺杂B、N原子的时候,不同自旋方向的电子在费米能级附近的透射谱曲线呈现出类似于‘X’的交叉现象。在给这种B-N原子掺杂在锯齿形石墨烯...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
1石墨烯构成的富勒烯，碳纳米管，多层石墨由于二维石墨烯具备独特的电子结构和物理性质，它在半导体材料领域的研究中占有很重要的位置[13,14]
合肥工业大学学术硕士研究生学位论文3图1.1.2（a）扶手椅型石墨烯纳米带；（b）锯齿形石墨烯纳米带自从二维石墨烯被发现以来，掀起了对它物理性质研究的热潮，从它表现出的性质来看，未来将有极大的可能被选为很多电子器件的制作材料，比如利用石墨烯的吸附敏感性制作传感器[21]；利用它的稳定性以及半导体性质制作纳米晶体管[22]；利用石墨烯的光学特性制作新能源电池[22]，等等。未来的世界必然对绿色发展有更强的依赖性，面对目前集成电路发展的热散问题和集成度瓶颈以及摩尔定律力不从心的现状，利用电子的自旋属性实现信息通讯取代利用电子的电荷属性是新的思路。在2008年，WeiL.Wang等人将石墨烯纳米薄片裁减成合适的形状[23]，研究其自旋电子的分布特性，发现石墨烯的磁性对其形状具有很强的依赖性，而且，通过观察多种形状的石墨烯纳米片，发现它们具有理想的自旋分布，这说明石墨烯为自旋电子纳米器件打开了新大门。那么石墨烯是否也可以作为自旋电子学的可选材料呢？其实，早在2007年，OhishiM等人在室温下对石墨烯薄膜进行自旋电流的研究[24]，它们使用非局域磁电阻测量方法，观察到了磁阻效应，而且电荷流和自旋流被完全分离，他们的研究结果证实了利用石墨烯薄膜产生自旋电流的可能性。石墨烯可以产生自旋电流的潜力被发现之后，引发了很多研究人员探究促使石墨烯产生自旋电流的方法，但大多都是采用电压差驱动自旋电流的产生，造成能耗较高的负面影响，比如在2010年，PaoloMichetti等人发现石墨烯会受到铁磁性氧化物的影响[25]，他们利用二者设计了双栅场效应管，把石墨烯和铁磁氧化物作为栅极介质，然后对栅极施加电压差，产生了自旋电流。而在2011年，MinggangZeng等人给锯齿形石墨烯纳米带的两个电极施加温度差[2]，发现了这种
磁性系统来说，它的数据稳定性很高，很难丢失数据，具有非易失性。这个性质为数据存储和处理的同时进行提供了条件，所以很好的在存储器件上得到了广泛的应用。另外，具备自旋电子学效应的材料很多是新型二维纳米半导体材料，具备集成密度高，稳定性强，可编程，寿命长等特点，针对目前集成电路集成度的技术发展瓶颈无疑打开了一条新的科学道路。热电子学的发现是在1821年，德国物理学家塞贝尔在做物理实验时，用一根铁丝和一个电流表连接在一起，组成一个闭合回路，他将这个回路的一端放入温度较低的冰水中，另一端加热，如图2.1.1所示[44]。结果，电流表上有数字显示，表示这个闭合回路有电流产生，塞贝克称之为热电流，这一电路叫做“热电偶电路”。之所以会产生电流，是因为温度的高低会影响粒子的活性，在这个电路中，两端出现温度差，在温度较高的一侧，粒子的运动相比于温度较低的那一侧剧烈，迫使导体中能自由移动的粒子从温度较高的一端向温度较低的一端移动，形成电流。这种由温度差而非电压差产生电流的现象属于热电子学。其实，这种现象被发现之后，并没有得到广泛的应用，因为利用温度差产生的电流，具有不稳定性，另外，这种方法使用的成本较高，不便捷，而且产出即获得的电能又很小，人们更青睐于给导体施加电压差。直到20世纪50年代，随着半导体材料科学的发展，科学家发现在半导体领域，利用热电子学构成温差电偶系统的热电效应相当显著，到六十年代，热电子学才达到了实用化阶段[45]。图2.1.1热电流的产生随着量子力学这一物理学理论的创立，让人们更清楚的认识了物质世界里微观粒子的运动规律，也为半导体材料的发展提供了坚实的理论基矗半导体晶体管的飞速发展，器件尺寸越来越小，已经达到了纳米级别，量子效应也应运而生。
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯材料及其应用[J]. 曹宇臣,郭鸣明. 石油化工. 2016(10)
[2]BN链掺杂的石墨烯纳米带的电学及磁学特性[J]. 王鼎,张振华,邓小清,范志强. 物理学报. 2013(20)
[3]石墨烯纳米带[J]. 郑小青,冯苗,詹红兵. 化学进展. 2012(12)
[4]石墨烯的化学奥秘及研究进展[J]. 龙威,黄荣华. 洛阳理工学院学报(自然科学版). 2012(01)
[5]N掺杂对zigzag型石墨烯纳米带的能带结构和输运性质的影响[J]. 林琦,陈余行,吴建宝,孔宗敏. 物理学报. 2011(09)
[6]塞贝克效应及其应用[J]. 曾辉,曾琪. 嘉应学院学报. 2004(03)
博士论文
[1]石墨烯结构调控、功能组装及其应用研究[D]. 赵扬.北京理工大学 2015
本文编号：2981239
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
1石墨烯构成的富勒烯，碳纳米管，多层石墨由于二维石墨烯具备独特的电子结构和物理性质，它在半导体材料领域的研究中占有很重要的位置[13,14]
合肥工业大学学术硕士研究生学位论文3图1.1.2（a）扶手椅型石墨烯纳米带；（b）锯齿形石墨烯纳米带自从二维石墨烯被发现以来，掀起了对它物理性质研究的热潮，从它表现出的性质来看，未来将有极大的可能被选为很多电子器件的制作材料，比如利用石墨烯的吸附敏感性制作传感器[21]；利用它的稳定性以及半导体性质制作纳米晶体管[22]；利用石墨烯的光学特性制作新能源电池[22]，等等。未来的世界必然对绿色发展有更强的依赖性，面对目前集成电路发展的热散问题和集成度瓶颈以及摩尔定律力不从心的现状，利用电子的自旋属性实现信息通讯取代利用电子的电荷属性是新的思路。在2008年，WeiL.Wang等人将石墨烯纳米薄片裁减成合适的形状[23]，研究其自旋电子的分布特性，发现石墨烯的磁性对其形状具有很强的依赖性，而且，通过观察多种形状的石墨烯纳米片，发现它们具有理想的自旋分布，这说明石墨烯为自旋电子纳米器件打开了新大门。那么石墨烯是否也可以作为自旋电子学的可选材料呢？其实，早在2007年，OhishiM等人在室温下对石墨烯薄膜进行自旋电流的研究[24]，它们使用非局域磁电阻测量方法，观察到了磁阻效应，而且电荷流和自旋流被完全分离，他们的研究结果证实了利用石墨烯薄膜产生自旋电流的可能性。石墨烯可以产生自旋电流的潜力被发现之后，引发了很多研究人员探究促使石墨烯产生自旋电流的方法，但大多都是采用电压差驱动自旋电流的产生，造成能耗较高的负面影响，比如在2010年，PaoloMichetti等人发现石墨烯会受到铁磁性氧化物的影响[25]，他们利用二者设计了双栅场效应管，把石墨烯和铁磁氧化物作为栅极介质，然后对栅极施加电压差，产生了自旋电流。而在2011年，MinggangZeng等人给锯齿形石墨烯纳米带的两个电极施加温度差[2]，发现了这种
磁性系统来说，它的数据稳定性很高，很难丢失数据，具有非易失性。这个性质为数据存储和处理的同时进行提供了条件，所以很好的在存储器件上得到了广泛的应用。另外，具备自旋电子学效应的材料很多是新型二维纳米半导体材料，具备集成密度高，稳定性强，可编程，寿命长等特点，针对目前集成电路集成度的技术发展瓶颈无疑打开了一条新的科学道路。热电子学的发现是在1821年，德国物理学家塞贝尔在做物理实验时，用一根铁丝和一个电流表连接在一起，组成一个闭合回路，他将这个回路的一端放入温度较低的冰水中，另一端加热，如图2.1.1所示[44]。结果，电流表上有数字显示，表示这个闭合回路有电流产生，塞贝克称之为热电流，这一电路叫做“热电偶电路”。之所以会产生电流，是因为温度的高低会影响粒子的活性，在这个电路中，两端出现温度差，在温度较高的一侧，粒子的运动相比于温度较低的那一侧剧烈，迫使导体中能自由移动的粒子从温度较高的一端向温度较低的一端移动，形成电流。这种由温度差而非电压差产生电流的现象属于热电子学。其实，这种现象被发现之后，并没有得到广泛的应用，因为利用温度差产生的电流，具有不稳定性，另外，这种方法使用的成本较高，不便捷，而且产出即获得的电能又很小，人们更青睐于给导体施加电压差。直到20世纪50年代，随着半导体材料科学的发展，科学家发现在半导体领域，利用热电子学构成温差电偶系统的热电效应相当显著，到六十年代，热电子学才达到了实用化阶段[45]。图2.1.1热电流的产生随着量子力学这一物理学理论的创立，让人们更清楚的认识了物质世界里微观粒子的运动规律，也为半导体材料的发展提供了坚实的理论基矗半导体晶体管的飞速发展，器件尺寸越来越小，已经达到了纳米级别，量子效应也应运而生。
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯材料及其应用[J]. 曹宇臣,郭鸣明. 石油化工. 2016(10)
[2]BN链掺杂的石墨烯纳米带的电学及磁学特性[J]. 王鼎,张振华,邓小清,范志强. 物理学报. 2013(20)
[3]石墨烯纳米带[J]. 郑小青,冯苗,詹红兵. 化学进展. 2012(12)
[4]石墨烯的化学奥秘及研究进展[J]. 龙威,黄荣华. 洛阳理工学院学报(自然科学版). 2012(01)
[5]N掺杂对zigzag型石墨烯纳米带的能带结构和输运性质的影响[J]. 林琦,陈余行,吴建宝,孔宗敏. 物理学报. 2011(09)
[6]塞贝克效应及其应用[J]. 曾辉,曾琪. 嘉应学院学报. 2004(03)
博士论文
[1]石墨烯结构调控、功能组装及其应用研究[D]. 赵扬.北京理工大学 2015
本文编号：2981239
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