二维材料光致纯自旋流器件的第一性原理研究
自旋电子学通过引入电子自旋这一自由度，使得电子的电荷和自旋成为能量和信息传递的载体，近年来备受国内外科研工作者的关注。其中，实现纯自旋流一直是自旋电子学研究的核心问题之一，其特点是在器件中只存在自旋流而不存在电荷流的一种现象。正因为没有电荷流产生的焦耳热，故该过程是低耗散的。由于其具有较低的能耗，因此对于开发新型的自旋电子器件以及缓解当前的日益严峻的能源问题具有重要的作用。随着二维材料展现出各种令人兴奋的特性，在二维材料中基于光学伽伐尼效应实现纯自旋流的研究引起了人们广泛的兴趣。 运用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法，本文研究了石墨烯和硅烯纳米带所构建的二维器件的光电自旋输运性质，具体开展了以下工作： （1）对扶手椅型石墨烯纳米带（AGNRs）进行裁剪，搭建了光电纳米器件结构，旨在利用光电效应（PGE）产生纯自旋流。设计了两种不同对称性的器件，Cs器件D1和中心反演对称器件D2，结果表明，两个结构都能产生不伴随电荷流的纯自旋流，但在Cs器件中只有在特定光偏振角度时才能产生纯自旋流，而在D2器件中可以在任何偏振角度下产生纯自旋流。这些结果表明，通过局部磁性工程，可在非磁性系统中基于PGE产生强大的纯自旋流。 （2）研究了用锯齿形石墨烯纳米带（ZGNRs）构建的磁性互连结的光致电流特性。将两个6-ZGNR分别通过碳六边形（C6）或碳四边形（C4）连接，设计了两种互连结结构。由于空间反演对称性的存在，两种结构在光照射下电荷流均为零。然而，C6结构中有纯自旋流。而在C4结构中，因为两种自旋方向的电流都很小，所以几乎没有纯自旋流的产生。这为利用PGE产生纯自旋流提供了一种可靠的方法，为石墨烯在自旋电子学中的应用提供了新的可能性。 （3）基于以上两个工作，进一步研究了由两个连接器连接的石墨烯纳米带器件的光电自旋输运性质。该工作设计了两种具有空间反转对称性的器件，均由三个锯齿状石墨烯纳米带（ZGNRs）组成，其中引入两个碳四边形（“2-C4”）或两个碳六边形（“2-C6”）作为连接器。结果表明，两种结构均能产生稳定的无电荷流的纯自旋流。除此之外，对“2-C6”通过磁场进行调制，当磁场将三个ZGNRs的边缘态从左至右调制为AFM-AFM-AFM或FM-AFM-FM时，得到了与光子能量和偏光角度无关的优良纯自旋流。然而，当“2-C6”的边缘态为FM-FM-FM有序时，光电流受到阻碍。这一工作为利用PGE以及磁场调控石墨烯纳米带获得纯自旋流提供了一种全新的方案，对设计具有复合纳米结构的自旋电子器件具有重要的参考意义。 （4）在以往获得稳定纯自旋流的光电器件中，其器件中心区均满足中心对称，同时满足光照区中心与器件中心重合。尚且不知道当后者条件不满足时，其光电特性是否会改变。首先本文以一个锯齿形石墨烯纳米带结为例，研究了光照区不是中心对称且位于不同位置时的情况（辐照面积效应），发现直到整个中心区域被照射才获得纯自旋流。此外，还研究了该器件的叠加效应，即如果把中心区域分成两个不是中心对称的部分，分别照射这两个部分所产生的光电流之和是否为纯自旋流（叠加效应）。研究发现，当且仅当两部分相对于器件中心具有空间反演对称时，分别照射这两部分所产生的光电流之和才会产生纯自旋流。此外，这样获得的纯自旋流小于照射整个中心区域得到的纯自旋流，这意味着“1+2=3”的规则不成立，两部分之间的耦合效应在光电流产生中十分重要。 （5）研究了硅烯纳米带器件对外部磁场的响应及其光电输运性质。研究发现，通过调节磁场，器件可以在导电态和绝缘态之间切换。还考虑了不同磁场下的器件在光学伽伐尼效应下获得的光电流，只有AP器件得到了稳健的纯自旋流。这种通过调整轨道对称性实现电导切换的机制以及通过不同磁场产生纯自旋流的方法可以在未来基于硅烯的电子器件的设计中加以考虑。
光电器件;自旋电子学;石墨烯纳米带;密度泛函理论;非平衡态格林函数;光学咖伐尼效应
华东交通大学
硕士
光学工程
周艳红
2023
中文
TN15
2023-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）