低维碳材料电子自旋极化特性的理论研究

发布时间：2016-12-18 15:51

  本文关键词：低维碳材料电子自旋极化特性的理论研究，由笔耕文化传播整理发布。

《吉林大学》 2015年

低维碳材料电子自旋极化特性的理论研究

于国栋  

【摘要】：作为新型的碳纳米材料，富勒烯、碳纳米管和石墨烯由于具有很多奇特的电子性质而广受关注。此外，人们正致力于获得具有新型结构的碳材料，如理论上预言的石墨炔和碳泡沫等。在实验上，人们已经在多种碳材料中观察到了磁性，如rhombohedral C60、zigzag型边界的石墨烯纳米条带（ZGNR）和吸附了有机分子的石墨烯等等。由于碳原子的自旋轨道耦合效应很弱，碳材料中自旋退相干效应比其他典型的半导体材料要小得多，因此，碳材料中的p轨道磁性在自旋电子学领域具有诱人的应用前景。然而，为了满足特定的自旋电子学器件功能，澄清和调控碳材料的磁性尤为必要。本文中我们主要利用基于密度泛函理论的计算方法研究3d过渡族金属原子（TMA）掺杂的石墨烯结构的磁性、石墨炔的边缘磁性和碳泡沫的表面磁性。 首先，我们探讨了掺杂TMA对石墨烯边缘磁性的影响。当在靠近ZGNR边缘的晶格位置掺杂钛、钒、铬、锰、镍、铜或锌原子时，石墨烯的边缘磁性会受到极大的抑制从而使ZGNR只具有单边缘的磁性。通过理论分析，我们发现这种边缘磁性的抑制主要有两个原因:第一，TMA的原子轨道与石墨烯的边缘态发生强烈的杂化使局域在zigzag边缘的上下自旋边缘态同时被占据，结果削弱了边缘磁性；第二，TMA的掺杂会使ZGNR边界发生较大的晶格畸变而破坏边缘态，从而导致边缘磁性的明显抑制。对于钛和锰原子的掺杂，边缘磁性的抑制主要来源于第一种机制，第二种机制可以很好地解释铜原子掺杂的情况，而对于大多数情况，两种机制共同起作用。值得注意的是，钪原子掺杂到ZGNR和二维无限大的石墨烯会表现出完全不同的电子性质。钪原子掺杂到二维无限大的石墨烯后体系是不存在磁性的，然而掺杂到ZGNR后体系会表现出明显的自旋极化。 其次，我们探讨了带有558型线缺陷的石墨烯吸附TMA后体系的磁性质。相比于普通石墨烯晶格位置，线缺陷处会提供更大的吸附能从而更容易捕获TMA。此外，吸附TMA到不同的位置后体系会表现出不同的磁矩。当TMA吸附于组成线缺陷的八边碳环的中心位置时（TMA@H8），我们建立了简单的杂化图像用以解释TMA@H8系统的磁性以及吸附能随掺杂原子种类的变化。电子输运计算表明，铁或钴原子吸附到线缺陷位置的体系会表现出明显的电流的自旋极化效应。值得强调的是，无论铁原子吸附在什么位置，只要偏压在0.2-0.4V之间，电流的自旋极化率始终高于76%，这表明在实验上，在石墨烯线缺陷吸附有铁原子的体系中容易观察到自旋极化的电子输运现象。 再次，对于α、β、γ和(6,6,12)四种类型的石墨炔，我们研究了其相应的zigzag型纳米条带的边缘磁性。和ZGNR一样，在费米面处这四种条带都存在无色散的平带。考虑到上下自旋电子间相互作用后，局域在边界的边缘态将发生自旋极化进而表现出边缘磁性。值得注意的是，β型的石墨炔条带只有在足够宽时才会表现出明显的无色散平带和边缘磁性。此外，我们还建立了基于碳原子pz轨道的紧束缚近似（TB）模型用来描述这四种石墨炔纳米条带的能带结构。基于TB模型，我们发现β型石墨炔纳米条带会产生比ZGNR和其他类型的石墨炔纳米条带更多的输运通道，因而它将成为一种理想的金属线。 最后，我们研究了(1,1)zigzag碳泡沫的表面磁性。碳泡沫是一种由sp2和sp3杂化的碳原子共同组成的三维碳材料，，因其结构中存在大量的孔洞而得名。在结构上，碳泡沫是共用管壁的碳纳米管阵列，其孔洞的尺寸即为碳纳米管的横向尺寸。(1,1)zigzag碳泡沫是由(6,0)zigzag型碳纳米管组成的共用管壁的阵列。沿着碳纳米管的横向切割(1,1)zigzag碳泡沫可以得到两种基本类型的表面:sp2和sp3表面，即由sp2或sp3杂化的碳原子截断的表面。用氢原子饱和掉表面的悬挂键会显著地增加体系的稳定性。此外，sp3表面和氢原子饱和的sp2表面（记为sp2H表面）分别表现出反铁磁性基态和铁磁性基态，相应的尼尔温度和居里温度均高于100K。对于sp2H表面，应变可以有效地调节表面碳原子的自旋极化强度。而且，在体带隙中存在着局域在sp2H表面的表面态。更重要的是，这个表面态对应的能带在K和K′点表现为自旋极化的Dirac圆锥型的能带结构。

【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O469
【目录】：

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