基于黑磷納米帶的熱自旋輸運性質的研究.pdf

1、近年來，科研工作者發(fā)現(xiàn)一些低維量子材料具有很好的熱電效應和熱致自旋流效應，使得低維材料在新型熱自旋器件中有重要應用，并同時促進了熱自旋電子學的發(fā)展。越來越受人矚目的新材料——黑磷已經(jīng)成功地在實驗上制備出來。為了能實現(xiàn)其在量子器件中的應用，本文以黑磷納米帶作為研究對象，設計與之相關的自旋電子學器件；并采用基于第一性原理的密度泛函理論與非平衡態(tài)格林函數(shù)理論相結合的研究方法，研究了該納米帶器件的熱自旋輸運特性。
　　目前關于黑磷納米帶自

2、旋電子學器件的研究并不多。因此，我們構造了一個基于鋸齒型黑磷納米帶的同質結器件。首先，我們研究了不同寬度下黑磷納米帶在鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)下的能帶結構，發(fā)現(xiàn)隨著寬度的增加，鐵磁態(tài)的黑磷納米帶自旋向上和自旋向下的能帶將逐漸打開帶隙；隨后，我們以寬度N=15的納米帶同質結器件為例，研究其熱自旋輸運性質，發(fā)現(xiàn)熱自旋流表現(xiàn)出較好的自旋塞貝克（Spin-Seebeck）效應。該效應說明鋸齒型黑磷納米帶同質結器件可產生純熱自旋流。
　　考慮到低維

3、材料可以通過缺陷、摻雜等改變其電子結構，我們對鋸齒型黑磷納米帶個別格點移去磷原子以形成缺陷。由于黑磷具有很好的延展性，我們對具有缺陷的黑磷納米帶進行拉伸處理，同時納米帶邊緣用氫原子鈍化。通過對其能帶結構的計算發(fā)現(xiàn)，當缺陷越靠近邊緣時，黑磷納米帶自旋向上和自旋向下的能帶將逐漸打開帶隙?；谠撎匦?，我們構建了一個鋸齒型邊緣缺陷并拉伸的黑磷納米帶同質結器件。取寬度N=8，隨著拉伸強度的增加，該納米帶自旋向上和自旋向下的帶隙將略有增加；通過調控

4、兩極的溫度，我們得到流動方向相反且自旋取向相反的自旋流，說明該器件熱激發(fā)自旋流呈現(xiàn)出較好的自旋塞貝克效應，電荷流較凈的熱自旋流要小很多。隨后，我們通過增加納米帶的寬度，研究其熱自旋輸運性質。研究發(fā)現(xiàn)取拉伸強度為1％，隨著納米帶寬度的增加，自旋流和電荷流都有不同程度的減小。對寬度N=10的納米帶，雖電荷流幾乎為零，但熱凈自旋流卻很小。然而，當拉伸強度為8%時，器件不但呈現(xiàn)出較好的自旋塞貝克效應，而且凈自旋流隨寬度的增加而增大，寬度增加到N

5、=10時，凈電荷流還呈現(xiàn)出了負微分電阻效應。說明該結構的黑磷納米帶材料對熱自旋電子學器件的設計和應用是有意義的。
　　最后，我們討論了懸掛硫原子的鋸齒型黑磷納米器件的熱自旋輸運性質，發(fā)現(xiàn)只有在鐵磁態(tài)下該結構的能帶才會出現(xiàn)自旋劈裂現(xiàn)象，而且會隨著寬度增加變得穩(wěn)定；但是拉伸并不會造成加硫鈍化的黑磷材料改變性質。這樣的器件誘導的熱自旋流有非常好的自旋過濾效應，因為只有自旋向上的電流在整個溫度調節(jié)的過程中變化，而自旋向下的電流卻始終保持為