石墨烯中的電子及其輸運性質(zhì)的研究.pdf

1、石墨烯是一種新型的二維碳材料,自從2004年被實驗制造出來之后,很快就引起了世人的關(guān)注,主要在于石墨烯中電子在費米面處的行為類似于狄拉克電子。它獨特的電子行為展現(xiàn)出許多不同尋常的量子效應(yīng),例如克萊因佯謬、反常量子霍爾效應(yīng)、最小電導(dǎo)率,等等。室溫下載子具有很高的帶邊遷移率,很有可能取代硅晶材料從而引起一場信息通訊技術(shù)革命。因此對石墨烯材料的研究具有很高的理論和實際應(yīng)用價值。本文利用超胞理論、狄拉克方程和轉(zhuǎn)移矩陣以及散射理論對石墨烯中電子以

2、及輸運性質(zhì)做了比較系統(tǒng)的研究,在對納米電子器件,電子波導(dǎo)纖維有一定的理論和應(yīng)用價值。本論文研究內(nèi)容分為以下五個部分:
　　(1)第一個部分為緒論部分,主要介紹了碳材料的發(fā)展過程,石墨烯的產(chǎn)生背景和制備方法,介紹了目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用價值。
　　(2)我們詳細(xì)的介紹了石墨烯中電子的性質(zhì),介紹了石墨烯中異常的量子效應(yīng)。
　　(3)通過緊束縛近似建立Harper’s方程和狄拉克方程去研究石墨烯納米條帶中電子的性質(zhì),發(fā)現(xiàn)

3、石墨烯條帶中電子的性質(zhì)與石墨烯尺寸大小有很大的關(guān)聯(lián),不同尺寸的石墨烯條帶展現(xiàn)出不同的量子尺寸效應(yīng)。對于鋸齒形的石墨烯條帶而言由于帶邊邊界限制會出現(xiàn)一個平的表面金屬態(tài)。對于扶手型而言,改變帶寬的大小可以使石墨烯條帶發(fā)生金屬-絕緣體相變。在磁場條件下,磁場能夠引起位相因子的改變,在磁場不大的情況下,平的朗道能級可以出現(xiàn),當(dāng)磁場很大時可以展現(xiàn)出一系列的余弦?guī)怠?br>　　(4)討論了石墨烯中一個異常的效應(yīng)—最小電導(dǎo)率。通過狄拉克方程去研究扶

4、手型石墨烯條帶中電子的輸運性質(zhì)。石墨烯的電導(dǎo)系數(shù)可以受到門電壓、偏置電壓和磁場的影響。在電極層高度摻雜的時候,改變門電壓可以控制石墨烯帶的電導(dǎo)率,發(fā)現(xiàn)即使是很小的偏置,石墨烯條帶電導(dǎo)率并不為零,存在一個最小值,并且這個最小值與一個最大的電子噪聲相聯(lián)系。對于磁場調(diào)控而言,磁場影響是非常明顯的,磁場能夠極大的抑制電子噪聲。改變磁場電導(dǎo)可以出現(xiàn)一個周期性的振蕩。對于彈道區(qū)域磁場效應(yīng)可以忽略,此時彈道電子輸運可以得到一個最小的電導(dǎo)率,主要是由衰

5、減波貢獻(xiàn)。對于彈道電子輸運而言,隨著偏置電壓(等效門電壓)的增大,量子振蕩的消失。通過門電壓控制石墨烯中的電子,電導(dǎo)系數(shù)會出現(xiàn)量子振蕩效應(yīng),這個效應(yīng)很有可能與費米面處局域的量子態(tài)有關(guān)。
　　(5)主要研究通過速度壘來調(diào)節(jié)控制石墨烯中電子的輸運。石墨烯中的電子通過速度壘類似于光子通過不同的媒介質(zhì),狄拉克電子由費米速度大的一邊通過費米速度小的一邊時可以類比光子由光疏媒介通過光密媒質(zhì)。設(shè)計一種方式去構(gòu)建異質(zhì)結(jié)中的二維狄拉克電子氣,計算了

6、依賴于角度的透射系數(shù)并研究和討論了共振隧道效應(yīng),發(fā)現(xiàn)受限態(tài)的存在能夠關(guān)閉彈道通道從而引起共振隧道峰減小。還討論了在磁場調(diào)節(jié)下狄拉克電子穿過一個速度壘異質(zhì)結(jié)模型,發(fā)現(xiàn)了一個很強的波矢過濾性質(zhì)和共振效應(yīng)。共振隧道依賴于入射粒子的角度受到磁場和速度壘的極強壓制,基于這些新的現(xiàn)象,很有可能為將來的電子器件,例如:濾波器,磁控開關(guān)等等,提供理論依據(jù)。最后討論了石墨烯中的波導(dǎo)模,通過利用一個速度阱去限制狄拉克電子處在阱內(nèi),狄拉克電子可以在阱內(nèi)做來來