石墨烯輸運(yùn)性質(zhì)的平衡方程方法研究.pdf

1、石墨烯,具有意料之外的極佳的晶體學(xué)和電子學(xué)特性的一種嚴(yán)格二維材料,在材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理前沿吸引了眾多研究的目光。盡管它的歷史很短,但其因獨(dú)特的電子能帶結(jié)構(gòu),已經(jīng)在新興的物理領(lǐng)域和潛在應(yīng)用方面展現(xiàn)出不可估量的前景。因此,它迅速成為“相對論”凝聚態(tài)物理中的一個(gè)新名詞,使得在高能物理中很難觀測到的相對論量子效應(yīng)可以在普通的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行模擬和測試。更普遍地來說,石墨烯代表了一種概念上全新的材料,它只有一個(gè)原子大小的厚度,基于此,在低維物理這

2、個(gè)已經(jīng)令我們驚喜不斷并擁有著豐富實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)領(lǐng)域里,又多了一條研究的新途徑。
　　 在這篇論文中,我們把重點(diǎn)放在了石墨烯在非線性穩(wěn)態(tài)及太赫茲(THz)輻照條件下熱電子輸運(yùn)的理論研究方面。我們通過考慮電子-雜質(zhì)、電子-聲學(xué)支聲子和電子-光學(xué)支聲子的散射,建立了一個(gè)石墨烯電子輸運(yùn)的平衡方程理論模型,平衡方程理論曾成功應(yīng)用于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、量子阱、量子線、超晶格等材料輸運(yùn)性質(zhì)的研究。最后,我們對石墨烯中的熱電效應(yīng)做了數(shù)值計(jì)算,結(jié)果同實(shí)

3、驗(yàn)測量符合得很好。整篇論文按照如下順序編排:
　　 在第一章中,我們對石墨烯,這個(gè)材料科學(xué)領(lǐng)域迅速升起的新星,做了一個(gè)廣泛而又簡明的介紹。這章提供了很多關(guān)于石墨烯的發(fā)現(xiàn)、制備、性質(zhì)及潛在應(yīng)用的背景材料。
　　 在第二章的第一部分中,我們利用緊束縛近似的方法,完整推導(dǎo)出了石墨烯在Dirac點(diǎn)附近錐狀的能帶結(jié)構(gòu)。在第二章的第二部分,簡要介紹了單能帶f或能谷)近似下的平衡方程方法,其中包括一個(gè)動(dòng)量平衡方程和一個(gè)能量平衡方程,此

4、外,更多的各種處理細(xì)節(jié)則列在了附錄中。
　　 論文的余下三章,即從第三章至第五章,是和我們原創(chuàng)的研究工作所相關(guān)的一些內(nèi)容。
　　 在第三章中,我們首先基于第二章的第二部分所建立的理論,討論了石墨烯中的散射相互作用,包括電子一雜質(zhì)和電子一聲子散射。然后,運(yùn)用平衡方程方法和之前討論結(jié)果,我們研究了石墨烯在直流穩(wěn)態(tài)條件下的非線性輸運(yùn)。我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)電場強(qiáng)度E超過約為0.1 kV/cm的臨界值時(shí),電導(dǎo)率σ隨E的依賴關(guān)系就會(huì)表現(xiàn)出很

5、強(qiáng)的非線性效應(yīng)。我們同時(shí)發(fā)現(xiàn),在晶格溫度較低時(shí),隨著E的增加,電子溫度Te會(huì)迅速上升到大約300至400K。這個(gè)效應(yīng)是由于電子.光學(xué)支聲子散射在Te>300 K時(shí)變得非常強(qiáng)烈,從而形成了一個(gè)等效的能量耗散途徑。我們還從平衡方程的輸運(yùn)結(jié)果的線性極限下求得了線性電導(dǎo)率σ=20e2/hN/ni,并與之同其它人的理論和實(shí)驗(yàn)工作做了比較。
　　 在第四章中,基于第三章中所討論的散射機(jī)制,我們研究了摻雜的單層石墨烯在太赫茲強(qiáng)電場下的輸運(yùn)性質(zhì)

6、。運(yùn)用Runge-Kutta法數(shù)值求解含時(shí)的平衡方程,我們得到了在太赫茲輻照下漂移速度和電子溫度在穩(wěn)態(tài)振蕩下的時(shí)間演化規(guī)律,同時(shí)對漂移速度的相位偏離和扭曲畸變隨頻率的依賴關(guān)系也做了研究。結(jié)果表明石墨烯可能在太赫茲波的三倍頻器件上有所應(yīng)用。我們還計(jì)算了太赫茲光致電導(dǎo)率,發(fā)現(xiàn)隨著隨著太赫茲場強(qiáng)的增大,光致電導(dǎo)率會(huì)迅速減小。這個(gè)事實(shí)也意味著,摻雜石墨烯可以作為探測太赫茲輻照的一種基本材料。
　　 在第五章中,我們運(yùn)用平衡方程方法從理論