基于石墨烯器件的自旋輸運性質研究.pdf

1、摩爾定律預言:集成電路上的晶體管數(shù)目每隔18-24個月會增加一倍。作為一種觀察定律，這種趨勢已經持續(xù)了半個多世紀，并將持續(xù)到2020年。傳統(tǒng)硅基半導體隨著制作尺寸越來越小，需要提高制作工藝，實驗的進展為尋找新功能和新材料的納米尺寸的電子器件提供了可能性。為突破摩爾定律的限制，量子計算和分子電子學領域已經發(fā)展了幾十年。量子計算的任務在于利用量子力學的相干原理實現(xiàn)能夠計算、編碼和傳輸信息理論的量子計算機。雖然量子計算的理論得到了發(fā)展，但其最

2、大的局限在于物理實現(xiàn)上。分子電子學的主要任務在于通過微觀尺度的分子實現(xiàn)具有傳統(tǒng)功能的電子元器件，主要研究電子如何在分子尺度進行運動。自旋電子學的發(fā)展使人們開始關注帶自旋的電子如何在分子尺度的運動，這就是分子自旋電子學。自從1997年Reed等人第一次實驗上直接測量單分子的I-V曲線，研究人員開始投入尋找新功能材料的研究之中。2004年，Novoselov等人實驗上首次制備出單層石墨烯材料，并首創(chuàng)地制備出石墨烯器件研究結果顯示石墨烯具有良

3、好的導電性能和奇異的電學特性。其后關于石墨烯和石墨烯器件的實驗和理論研究蓬勃發(fā)展。2006年，Son等人通過對處于磁性基態(tài)的鋸齒形納米帶加電場發(fā)現(xiàn)了自旋極化現(xiàn)象，即一個自旋方向的導電性能呈金屬性，另一個自旋方向的導電性能呈絕緣性。這為利用石墨烯器件實現(xiàn)自旋過濾器實現(xiàn)了可能性。由于石墨烯在實驗上非常容易實現(xiàn)剪切、改變構形、化學摻雜和引入空位等操作，所以基于石墨烯實現(xiàn)功能性器件非常容易。通過磁場還可以實現(xiàn)對石墨烯磁性狀態(tài)的調節(jié)，所以理論計算

4、能夠彌補實驗方面的缺陷，對各種可能性的基于石墨烯的器件進行研究。單層類石墨烯材料也在實驗上不斷發(fā)現(xiàn)和合成。目前g-C3N4作為最穩(wěn)定的碳氮單層材料開始受到了廣泛地關注，但其電輸運性質尚未研究。
　　本文以鋸齒形石墨烯納米帶做電極，g-C3N4作為傳輸層構建納米器件。運用密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)結合的方法對模擬的基于石墨烯的納米器件進行理論計算研究。由于鋸齒形石墨烯納米帶的邊緣態(tài)效應對器件的導電性能有重要的影響，所以模擬納米器件