基于自旋轨道耦合的石墨烯微结构的自旋输运特性研究
最近发现的碳基材料石墨烯由于具有较高的迁移率和潜在的较长自旋寿命，被称为是下一代基于电子自旋的电子元件材料。本研究结合石墨烯的特殊性质，针对考虑自旋轨道耦合时电子的传输特性展开研究，分析调制结构以及外场在自旋传输中的作用，目的是揭示自旋传输的物理机理，进而探讨其在电子学和自旋电子学中的应用。主要的研究内容及其研究成果有以下几个方面:
(1)本文运用传输矩阵方法研究了电子通过由Rashba自旋-轨道耦合和交换场调制的石墨烯基纳米结构的自旋进动和自旋传输特性。研究表明:自旋进动与入射能量、入射角、Rashba自旋-轨道耦合强度、Rashba自旋-轨道耦合长度以及交换场强度都有关联，而且通过调制这些物理量的参数可以有效地控制自旋进动。另外，通过调节铁磁条的磁化方向以及Rashba自旋-轨道耦合强度，可以实现宽角度自旋过滤器。在这个结构中，我们还研究了自旋极化，发现当铁磁条的磁化方向分别是平行和反平行时，自旋极化分别是正值和负值，并且自旋极化的绝对值都随着Rashba自旋-轨道耦合强度以及交换场强度的增加而增加。
(2)本文讨论了由Rashba自旋-轨道耦合和交换场调制的石墨烯基多栅栏结构的自旋传输特性。研究表明:只有当Rashba自旋-轨道耦合强度和交换场强度相等，并且单栅栏的相移满足△θ=(2k十1)π，k=0，1，2…时，平行磁场和反平行磁场多栅栏结构才可以有效地实现自旋翻转和自旋过滤。另外，我们模拟了不同静电势调制下的石墨烯基双栅栏结构的Fano因子特性。发现通过引入静电势，其中一种自旋电子的Fano因子可以得到很大的增加，并且出现了平顶Fano因子，其平顶Fano因子区域都出现在入射能量等于静电势的高度附近（即狄拉克点的位置）。而另一种自旋的电子的Fano因子在狄拉克点的位置附近仍然很低，且在狄拉克点的位置达到最大值:F=1/3。
(3)本文设计了由Rashba自旋-轨道耦合和应力构成的石墨烯基双结，并且研究了电子穿过双结的自旋极化特性。研究表明:当电子从左侧入射通过双结时，由于共振强烈依赖于自旋波矢，通过调节费米能量可以获得高的自旋极化振荡。另外，也可以通过调节应力强度和正常石墨烯区宽度实现固定费米能量情况下的自旋极化转换。但是当电子从右侧入射通过双结时，自旋极化几乎可以忽略不计。
(4)本文研究了电子通过由Rashba自旋-轨道耦合、应力以及交换场调制的石墨烯基的自旋传输特性。发现当在石墨烯中同时考虑Rashba自旋-轨道耦合和应力调制时，可以产生垂直于石墨烯平面的自旋极化。另外，在同时考虑Rashba自旋-轨道耦合，应力以及交换场时，自旋极化可以达到100％，而且出现高自旋极化的能量可以通过调节交换场强度进行控制。
石墨烯;自旋极化;轨道耦合;输运特性
南昌大学
博士
材料物理与化学
何兴道
2013
中文
O494
79
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）