类石墨烯材料中巨磁阻和热电效应的研究

发布时间：2017-10-09 16:39

  本文关键词：类石墨烯材料中巨磁阻和热电效应的研究

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【摘要】：本论文利用结合密度泛函理论与非平衡格林函数的第一性原理方法和紧束缚模型研究了类石墨烯纳米带中的电输运、磁输运和热电性能。详细讨论了锯齿型a石墨炔纳米带的奇偶特性,边缘掺杂对纳米带的电导谱、巨磁阻效应和热电效应的影响。通过石墨烯紧束缚模型的解析分析及输运与系统特征参数关系的计算对这些性质进行了深入的理解。本文的要点如下:1.运用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法研究了锯齿型a石墨炔纳米带两极系统自旋相关的电学性质。通过理论计算模拟,我们首先预测在完美的偶数宽度锯齿型a石墨炔纳米带中可实现高达 106 % 的巨磁阻效应而在奇数宽度纳米带中磁阻则总是很小。通过对铁磁纳米带中费米能附近波函数的分析,理解了偶数宽度纳米带中波函数横向几何对称性导致这些奇偶效应的物理原因。在铁磁电极磁化反平行构型下,奇数宽度纳米带每种自旋的电导谱在费米能处为高度G0=e2/h的平台,而偶数宽度纳米带对应的是一个宽度为 0.15e V的电导隙。有意思的是,如果将中心区磁化翻转处的边缘碳原子替换成其它原子,上述的奇偶效应出现反转。通过对反平行构型下两极系统散射态的分析,我们发现在奇数宽度的纳米带中,杂质原子会阻碍边缘态的扩展,因而导致电导降低。而在偶数宽度的纳米带中,杂质原子破坏了量子态的横向对称性,解除了对称性对电子输运的限制,使电导升高。由于在电极磁化平行构型下纳米带电导的奇偶效应很弱,且对掺杂不敏感,这样巨磁阻效应只出现在偶数宽度的完美纳米带或奇数宽度的掺杂纳米带中。这个结果表明我们可以在很大范围内通过边缘掺杂来控制这种材料中的磁阻效应。 2.系统地研究了线性响应条件下不同宽度(宽度n=3,4,5和6)锯齿型a石墨炔纳米带两极系统中掺杂对自旋热电效应的增强。在完美的铁磁纳米带中,要实现强自旋热电效应、获得比电荷塞贝克系数CS高的自旋塞贝克系数SS是很困难的。边缘掺杂能破坏系统的几何对称性并增强自旋热电效应。这种增强的程度依赖于纳米带的宽度以及掺杂类型和位置。在电极磁化平行构型下,用Ⅴ主族元素N原子进行掺杂可使宽度n=5和6的纳米带在很大的温度范围内实现S CSS,在室温下可以大10倍。在反平行构型下,如果在磁化翻转位置之外的边缘处掺杂,在偶数宽度的纳米带中可以实现S CSS。这时在低温下能存在非常稳定的强自旋热电效应。并且在特定温度下,当电荷塞贝克系数为零时该材料中的温差可以产生纯自旋流。 3.鉴于类石墨烯二维材料的相似性以及各种化学修饰对其输运性质显著调制作用,结合紧束缚近似模型和格林函数方法,我们试图建立一个适用于这些材料的通用输运模型,更加系统地研究并理解原子无序对类石墨烯纳米带的输运性质和热电特性的影响。通过在完美石墨烯铁磁纳米带紧束缚模型中加入一个可以连续变化的缺陷势来模拟各种化学修饰带来的无序,我们研究了边缘原子位置缺陷势对纳米带性质的 影响。我们仔细分析了缺陷势逐渐变大时系统输运从量变到质变的过程。结果表明我们用第一性原理模拟得到的结果普遍存在于类石墨烯二维材料中。原子无序可以打开(关闭)奇数(偶数)宽度锯齿型类石墨烯材料纳米带中的巨磁阻效应。这是因为在电极磁化平行构型下边缘缺陷势对电导的影响并不大,而在反平行构型下电导对磁化反转处缺陷势的存在很敏感。当无序存在于磁化反转处以外时,上、下自旋的电导谱峰或谷在费米面处正好分裂,并导致它们的塞贝克系数符号相反,材料中出现强自旋热电效应。在宽度n=2的纳米带的两极模型中,我们得到了电导的解析表达式,这使我们能从物理上更深入地分析无序对输运的影响。
【关键词】：自旋电导谱 掺杂 巨磁阻 自旋热电效应 格林函数方法
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O469
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-29
• 1.1 引言11
• 1.2 碳纳米管11-12
• 1.3 石墨烯12-17
• 1.4 石墨炔17-21
• 1.5 本文的研究目的及内容安排21-24
• 参考文献24-29
• 第二章 原子尺度器件量子输运理论模型和计算方法29-52
• 2.1 引言29
• 2.2 量子输运理论29-30
• 2.3 中心器件区格林函数的计算30-33
• 2.4 计算电极表面格林函数的快速迭代法33-36
• 2.5 半经验的紧束缚方法（Tight-Binding method，，TB）36-38
• 2.6 密度泛函理论（DFT）38-44
• 2.6.1 玻恩-奥本海默近似（Born-Oppenheimer Approximation）38-40
• 2.6.2 哈特利-福克(Hartree-Fork)近似40-41
• 2.6.3 Hohenberg-Kohn定理41-42
• 2.6.4 Kohn-Sham方程42-43
• 2.6.5 交换关联泛函43-44
• 2.7 磁阻和热电理论44-47
• 2.8 基于DFT-NEGF方法的相关软件ATK和Nanodcal47-49
• 参考文献49-52
• 第三章 锯齿型a石墨炔纳米带52-77
• 3.1 引言52-54
• 3.2 材料、模型与方法54-58
• 3.3 石墨炔纳米带能带结构58-59
• 3.4 铁磁平行构型下的电导谱59-60
• 3.5 铁磁反平行构型下的电导谱60-63
• 3.6 隧穿磁阻63-67
• 3.7 自旋热电效应67-73
• 3.8 结论73-74
• 参考文献74-77
• 第四章 类石墨烯结构的紧束缚模型及边缘无序导致的巨磁阻开关效应77-102
• 4.1 引言77-79
• 4.2 铁磁锯齿型类石墨烯纳米带紧束缚模型79-81
• 4.3 缺陷在0位置时的输运特性81-88
• 4.3.1 线性电导81-86
• 4.3.2 缺陷在0位置时的磁阻（magetoresistance，MR）86-87
• 4.3.3 石墨烯纳米带的紧束缚模型与密度泛函理论计算模拟结果对比87-88
• 4.4 缺陷在-1，-2，-3 位置时的电输运性质和热电效应88-93
• 4.4.1 偶数宽度纳米带88-91
• 4.4.2 奇数宽度纳米带91-93
• 4.5 解析结果93-98
• 4.6 结论98-99
• 参考文献99-102
• 第五章 总结和展望102-105
• 5.1 本文的主要结论102-103
• 5.2 展望103-105
• 创新性说明105-106
• 攻读博士学位期间公开发表的论文106-107
• 致谢107-108

【共引文献】

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1 张小婧;赵梓俨;熊倬;陈梦露;王芳;周莹;;石墨烯-铋系氧化物复合光催化材料[J];功能材料;2014年16期

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4 朱颖;王永欣;;石墨烯上吸附金原子团的电子结构性能研究[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2014年03期

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本文编号：1001299