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1、分类号学校代码046910542密级学号 20081 1010005石墨烯及其纳米带电磁输运性质研究Electronic and Magnetic Transport forGraphene and Graphene Nanoribbons研究生姓名 周查塑指导教师姓名、职称 旦整堑塾堡研 究 方 向 介塑塑墨湖南师范大学学位评定委员会办公室二O一一年四月石墨烯及其纳米带电磁输运性质研究摘 要石果烯是一种新型二维平面碳纳米材料，其电子在狄拉克点附近的线性色散关系决定了它具有丰富而新奇的性质自2004年底成功制备以来，迅速成为凝聚态物理、材料、化学、信息和生物技术等学科领域的交叉研究热点之一本文
2、分别采用狄拉克方程，紧束缚近似，非平衡态格林函数和第一原理等方法对石墨烯及其纳米带的电子输运和自旋输运性质进行了较系统的理论研究，为其在纳米电子器件，自旋量子器件等领域的应用提供理论指导全文共分为六章第一章为绪论部分，简要介绍了石最烯的发现及实验制备，石器烯及其纳米带的应用背景第二章，我们详细介绍了石墨烯及其纳米带的能带结构以及石器烯的奇异物理性质第三章至第五章是我们自己的工作第三章，我们利用狄拉克方程研究了单模式和多模式扶手椅型石墨烯纳米带在外加方势垒下的输运性质结果表明：对于金属扶手椅边缘石墨烯纳米带，最低子带对应的透射系数恒为1，其它子带的透射谱与半导体扶手椅纳米带系统中的子带类似所有子
3、带均敏感地依赖于扶手椅纳米带的宽度以及势垒的宽度和高度此外，我们还研究了多模式金属和半导体型扶手椅纳米带的电导和Fano因子结果表明：电导最小对应Fano因子最大，且Fano因子最大值大于石墨烯中Fano因子的普适值(13)第四章是我们研究的重点内容我们推导出了石墨烯和扶手椅石墨烯纳米带在动量空间中的推迟格林函数利用非平衡格林函数方法，系统地研究了外加磁绝缘体下石罢烯的自旋输运性质结果表明：在两铁磁平行分布的情况下，系统电子自旋向上(向下)的态密度随两铁磁电极极化强度的增大而减小(增加)；但系统的电导正好相反，电子自旋向上(向下)的电导随铁磁电极极化强度的增大而增加(减小)系统电子自旋向上和向
4、下的电流在小偏压时呈现出线性行为，而在大偏压时则表现为非线性现象有趣的是，当磁绝缘体在石墨烯中引起的交换劈裂能为II 湖南师范大学博士学位论文0时，系统的TMR呈现出一个尖端结构，在0电压处出现极大值而当交换劈裂能不为0时，这一尖端结构被强烈地抑制此外，系统的自旋转矩随两铁磁电极磁矩的相对夹角呈正弦函数变化，而随电压的关系类似于系统的电流，且正比于两铁磁平行分布下自旋电流的大小，自旋转矩对交换劈裂能大小的变化不甚敏感基于相同的方法，我们进一步研究了外加磁绝缘体下7-和8_扶手椅石墨烯纳米带的自旋输运性质研究结果表明，对于7-(8)扶手椅理想条带，系统的态密度随电子入射能量的关系在费米能附近表现
5、为对称的0平台(非0平台)；当电子入射能量远离费米能时，7-和8-扶手椅纳米带的电子自旋向上和向下的态密度均呈现出一系列尖峰结构由于量子尺寸效应，线性电导、微分电导也呈现出一系列尖峰结构，且这些尖峰的位置随交换劈裂能而变化有趣的是，在交换劈裂能为0时，7_和8扶手椅纳米带的TMR在0电压附近均呈现出理想的平台结构；而当交换劈裂能不为0时，7-扶手椅纳米带的TMR的平台结构变窄，8扶手椅纳米带的TMR在0电压附近出现一个更高的平台结构，其宽度正比于交换劈裂能的大小通过进一步研究，发现7-扶手椅纳米带的自旋转矩定量上要大于8一扶手椅纳米带；7和8-扶手椅纳米带的自旋转矩随两铁磁电极磁矩的相对夹角变
6、化与石翠烯系统类似；与石罨烯不同的是， 7和&扶手椅型纳米带的自旋转矩随交换劈裂能呈振荡行为第五章，利用第一原理AtomisticToolkit程序包，计算了掺杂与非掺杂十字型石器烯纳米结系统的电子输运性质计算结果表明，十字型结的电子输运性质十分敏感于分支的高度、宽度等几何特性和惨杂的位置例如，当氮(或硼)掺杂于两臂时，我们发现十字型石墨烯纳米结系统在低偏压情况下电流随偏压的增加基本保持为零；但当氮(或硼)掺杂于两干时，电流随偏压的增加显著增大第六章，我们对本文的工作进行了总结和归纳，并对石墨烯及其条带的电磁输运性质这一研究领域的发展前景作了简要的展望关键词：石墨烯纳米带；输运性质；隧道磁电阻
7、；自旋转矩；紧束缚方法；非平衡格林函数；Atomistic Toolkit软件ABSTRACTGraphene is found to be exhibit many unusual and intriguing physical prop-erties due to its linear dispersion relation near the Dirac pointSince successfulpreparation at the end of 2004，graphene has been becoming one of the hot sys-tems in condensed mat
8、ter physics，material science，chemistry,information andbiology technologiesIn this thesis，electronic and magnetic transport proper-ties hae been theoretically investigated based on the Dirac equation method，thetightbinding method，the non-equilibrium Green function technique，and the firstprinciples me
9、thod which could provide theoretical guidancd for their applications“in nano-eleetronci devices and spintronics devicesThe thesis is divided into six chaptersIn the first chapter，we give a briefintroduction about the discovery and fabrication techniques of graphene，the ap-plication background of gra
10、phene and its nanoribbonsIn the second chapter，we give a detailed introduction about the electronic structure of graphene and itsnanofibbons，and the unique physicM properties in grapheneChapter three，four and five are our worksIn the third chapter，based onthe Dirac equation method，we theoretcally in
11、vestigate the mode-dependent andmod争independent transmission probability through a rectanglar potential barriereIIlbedded in armchairedge graphene nanoribbons(AGNRs)of various widthsIt is demo璐trated that，the transmission probability for the lowest mode(modecrossing the Fermi level)of the metallic A
12、GNRs is always equal to unity,andthe other modes transmission probability for metallic AGNRs is similar to thatfor semicondUCting AGNRs，which depends sensitively on the widths of AGNRs，the barrier height and its rangeBesides，the both metallic and semiconductingAGNRs in the vicinity of barrier own a
13、minimum conductance associated with theIV 湖南师范大学博士学位论文ma斑mm Fano factor which is larger than universal value 13 for a short and widegraphene strip at zero carrier concentrationChapter four is our major worksFirstly,a momentumspace expressionfor the retard GreenS function of graphene and AGNRs is der
14、ivedBy usingnonequilibrium Greens function techniqueswe theoretically investigate the spindependent transport through a graphcnc sheet between two ferromagnetic leadswith arbitrary polarization directionsA magnetic insulator is deposited on thegraphene to induce an exchange splittingIt is noted that
15、 the density of states(DOS)decreases for spin-up and increases for spin-down when the polarizationstrength of the two leads in parallel alignment increases，while the conductanceincreases for spinup but decreases for spindown with an increase of the polar-izationThe currents for both spin-up and spin
16、down channels are found to belinearly proportional to the applied voltage at small bias，then grow nonlinearlyas the bias increasesInterestingly,a pronounced cusp-likc feature and the max-imum tunneling magnetoresistancc(TMR)value appear at zero bias without theexchange splitting，and the magnitude of TMR is dramatically suppressed with anincrease of the exchange splittingFurthermore，the currentinduced sp
