二維材料納米條帶量子輸運與熱電性質研究.pdf

1、二維狄拉克電子體系，包括石墨烯、拓撲絕緣體和硅烯等，由于其能帶在費米能級附近具有線性色散的狄拉克錐結構，呈現(xiàn)出無質量手征特性，因而需采用類狄拉克方程來描述。由于這類體系中可以實現(xiàn)許多新穎量子效應，如量子自旋霍爾效應和量子反?；魻栃?，進而實現(xiàn)無能耗或低能耗的電子傳輸，在自旋電子學和谷電子學方面具有重要的基礎意義和應用背景，近年來受到人們越來越多的關注。本學位論文工作采用非平衡格林函數方法，較系統(tǒng)地研究了二拓撲絕緣體Hall bar、硅

2、烯納米條帶鐵磁電極下的量子輸運與熱電性質，旨在為未來基于二維狄拉克電子體系的納米（自旋/谷）電子器件的設計提供物理基礎。
　　全文共分為六章。第一章為緒論，簡要介紹了二維和三維拓撲絕緣體以及硅烯這類狄拉克電子材料的理論預測和實驗制備，以及相關的自旋軌道耦合與量子自旋霍爾效應。第二章詳細介紹了本文中采用的Landauer-Bütittiker公式和非平衡格林函數方法。
　　第三章研究了正常/鐵磁/正常二維拓撲絕緣體的能帶結構和

3、自旋相關輸運性質，其中鐵磁區(qū)域由摻雜磁性Mn原子來實現(xiàn)。我們發(fā)現(xiàn)，有限尺寸的量子限制會使得體系的能帶打開帶隙;摻雜磁性Mn原子所產生的交換場會引起能帶自旋劈裂并打破自旋簡并的電導;通過調節(jié)費米能量和交換場強度，或者通過調節(jié)費米能量和鐵磁區(qū)域長度，體系可以實現(xiàn)從量子自旋霍爾態(tài)到量子反常霍爾態(tài)的轉換。這些結果能為設計無耗散的自旋過濾器件提供理論依據。
　　第四章研究了鋸齒型硅烯納米條帶(ZSiNR)和扶手椅型硅烯納米條帶(ASiNR)

4、的能帶結構和電子輸運性質。硅烯由于其錯層結構，其納米條帶都不具備σ鏡面對稱特征，我們發(fā)現(xiàn)ZSiNR的電子輸運性質卻存在對稱性，從而導致當ZSiNR的原子鏈數N取偶數時體系的磁阻可以達到100％，而N取奇數時則沒有此性質，所以采用偶數的N-ZSiNR來設計自旋閥器件比采用奇數的更具優(yōu)異性。我們同時研究了ZSiNR的自旋轉矩隨兩鐵磁電極磁化方向的相對夾角以及隨費米能量的變化，發(fā)現(xiàn)隨夾角呈現(xiàn)出類似正弦函數的變化關系，隨費米能量的變化則關于狄拉

5、克點反對稱。此外，安德森無序對自旋轉矩的影響在狄拉克點附近區(qū)域比較敏感，而遠離狄拉克點的區(qū)域則基本不受較小安德森無序的影響。另外，我們發(fā)現(xiàn)ASiNR的能帶帶隙隨著其寬度N的增加，以3為周期振蕩減小。如果滿足N=3n+2則體系是金屬（其中n是正整數），否則就是半導體。金屬型和半導體型ASiNR的電子結構和輸運性質都可以通過有效自旋軌道耦合強度和垂直電場來調控。最后，我們發(fā)現(xiàn)較小的安德森無序對ASiNR中的電導基本沒有影響，
　　第五

6、章研究了ZSiNR在外加垂直電場下的熱電性質。我們發(fā)現(xiàn)ZSiNR的熱電性質同樣具有對稱性，類似于其在第四章中研究過的電子輸運性質。在無外電場時，6-ZSiNR其自旋塞貝克系數比7-ZSiNR的要大1個數量級。但是，隨著外加垂直電場的增強，6-ZSiNR其自旋塞貝克系數減小，而7-ZSiNR的則隨之增大。通過調節(jié)電場的大小，7-ZSiNR的自旋塞貝克系數其絕對值可以增大至6-ZSiNR的一樣大接近200μV/K。我們進一步考慮了溫度和磁化

7、強度對自旋塞貝克系數的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增加，6-ZSiNR中的自旋塞貝克系數減小，而7-ZSiNR的則增大。鐵磁強度對6-和7-ZSiNR的自旋塞貝克系數影響定性上相同。最后，我們研究了磁化強度對自旋熱電品質因子的影響，發(fā)現(xiàn)隨著磁化強度的增加，6-和7-ZSiNR的自旋熱電品質因子都增大，但6-ZSiNR中的自旋熱電品質因子比7-ZSiNR的要大4個數量級。我們的研究結果也表明采用偶數的N-ZSiNR來設計熱電器件比采用奇數的明顯更