二维量子薄膜电子结构及输运性质的调控

发布时间：2017-10-10 15:26

  本文关键词：二维量子薄膜电子结构及输运性质的调控

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【摘要】：近年来,随着对自旋电子学和磁电子学研究的不断进展,通过化学修饰、外加应力、外电场或外加磁场的方式来调控二维量子薄膜材料电子结构及输运性质的研究成为人们关注的热点。在本论文中,我们用密度泛函理论方法研究了化学修饰以及外加电场对二维量子薄膜的电子结构及其输运性质的调制效应,为二维量子薄膜材料在自旋电子学和磁电子学中的应用提供了理论研究的基础。在第一性原理计算的同时考虑非平衡格林函数的方法对这些材料的电子输运性质及其在实际器件中的应用进行了计算。在本论文工作中我们主要的研究内容和成果包括:1.我们对化学修饰引起的石墨烯以及二维六角氮化硼表面功函数的调制效应进行了研究。研究结果发现不同电负性原子的吸附引起的电荷再分布以及成键电荷的转移是化学修饰引起的石墨烯以及二维六角氮化硼表面功函数的变化的主要原因;2.我们对过渡金属嵌入的石墨烯以及二维六角氮化硼的双层二维量子薄膜材料作为中间绝缘层,与Ni(111)金属电极构成的磁性隧道结的电子结构以及电输运性质进行了系统的研究。我们发现:过渡金属的嵌入引起石墨烯以及二维六角氮化硼的双层二维量子薄膜材料在费米能级附近的能带结构发生自旋极化;过渡金属Co/Fe嵌入的双层石墨烯-二维六角氮化硼结构作为中间绝缘层材料的磁性隧道结的隧穿磁电阻率为169.94%/173.00%,这两种过渡金属嵌入的双层石墨烯-二维六角氮化硼结构对于自旋电子学中构造完美的自旋过滤器件是非常好的备选材料;3.我们通过对Bi2Se3结构与过渡金属Fe电极构成的磁性隧道结进行输运性质的研究发现:随着外加电场的变化,整个磁性隧道结的隧穿磁电阻率呈现出趋于稳定的震荡性变化,分析其原因我们发现自旋相关的电荷再分布是引起隧穿磁电阻率变化的主要原因。我们的研究结果表明单层Bi2Se3对于构造完美的磁性隧道结来说是一种非常有应用前景的中间绝缘层材料;4.我们研究了磁性过渡金属Co、Mn原子替代掺杂石墨烷的电子结构性质,并通过外加电场的方式对结构的磁性性质进行调控。研究结果发现这两种过渡金属与石墨烷的碳原子之间的电荷转移以及过渡金属自身的d态电子轨道之间的电荷再分布是引起整个结构的电学性质和磁性性质变化的主要原因。同时我们发现,外加电场调控下过渡金属与石墨烷之间的电荷转移是引起Mn原子掺杂结构的磁性性质发生转变的主要原因。
【关键词】：化学修饰 石墨烯 二维六角氮化硼 电子结构 电输运性质
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O469;O484
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 引言9-25
• 1.1 二维纳米材料简介9
• 1.2 石墨烯相关材料简介9-14
• 1.2.1 石墨烯材料电子结构及其实验制备10-13
• 1.2.2 化学修饰石墨烯材料13-14
• 1.3 二维六角氮化硼材料简介14-19
• 1.3.1 六角氮化硼材料结构及其性质15-17
• 1.3.2 化学修饰二维六角氮化硼材料17-19
• 1.4 外部条件对二维纳米材料性质的调控19-23
• 1.4.1 化学掺杂对二维纳米材料的电子结构的影响19-21
• 1.4.2 外场调控对二维纳米材料电子结构的影响21-23
• 1.5 本论文的研究依据及研究的主要内容23-25
• 第2章 理论背景和方法25-34
• 2.1 第一性原理方法及密度泛函理论25-31
• 2.1.1 绝热近似理论——Born-oppenheimer近似26-27
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn定理以及Kohn-Sham方程27-29
• 2.1.3 交换关联泛函（LDA和GGA）29-31
• 2.1.4 赝势方法31
• 2.2 非平衡格林函数及Landauer模型31-34
• 第3章 化学修饰对石墨烯及二维六角氮化硼表面功函数的调制效应34-52
• 3.1 引言34-36
• 3.2 计算细节与模型分析36-39
• 3.3 计算结果分析及讨论39-51
• 3.3.1 化学修饰的石墨烯结构稳定性分析39-41
• 3.3.2 化学修饰对石墨烯电子结构性质的影响41-45
• 3.3.3 化学修饰的二维六角氮化硼结构稳定性分析45-47
• 3.3.4 化学修饰对二维六角氮化硼电子性质的影响47-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第4章 3d过渡金属嵌入对双层石墨烯、二维六角氮化硼电子输运性质的调控52-66
• 4.1 引言52-53
• 4.2 计算细节与模型分析53-54
• 4.3 计算结果分析与讨论54-65
• 4.3.1 双层石墨烯及二维六角氮化硼在器件中的稳定性分析54-57
• 4.3.2 双层石墨烯及二维六角氮化硼结构在器件中的电子性质57-60
• 4.3.3 双层石墨烯及二维六角氮化硼在器件中的电输运性质60-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第5章 准二维Bi2Se3薄膜在器件中的电输运性质研究66-73
• 5.1 引言66-68
• 5.2 模型分析与计算方法68-69
• 5.3 计算结果分析与讨论69-72
• 5.3.1 Bi2Se3准二维薄膜结构在器件中的稳定性分析69-70
• 5.3.2 Bi2Se3准二维薄膜在器件中的电子输运性质70-72
• 5.4 本章小结72-73
• 第6章 过渡金属掺杂石墨烷自旋态的电场调控73-83
• 6.1 引言73-74
• 6.2 计算细节与模型分析74-75
• 6.3 计算结果分析及讨论75-82
• 6.3.1 过渡金属掺杂石墨烷的结构及稳定性75-76
• 6.3.2 过渡金属掺杂石墨烷的电子性质76-80
• 6.3.3 外加电场对过渡金属掺杂石墨烷磁性的调制80-82
• 6.4 本章小结82-83
• 第7章 总结和展望83-85
• 7.1 工作总结83
• 7.2 工作展望83-85
• 参考文献85-96
• 致谢96-97
• 攻读博士学位期间完成的主要工作97

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;Numerical Simulation of Reaction-Diffusion during Carburization of HK40 Steel[J];Journal of Materials Science & Technology;2003年04期

2 张科举;詹福如;;氧化石墨烯的离子束辐照表面改性[J];材料导报;2013年16期

3 白瑞;赵九蓬;李W，

本文编号：1007135