一種改善石墨烯納米器件自旋過濾效應的方法
【專利摘要】本發明公開了一種改善石墨烯納米器件自旋過濾效應的方法，使用第一原理方法，首先模擬有線缺陷ZGNR的STM圖像，然后研究在外加電場下的線缺陷ZGNRs的自旋相關的特性，通過引入線缺陷和外加橫向電場調控自旋ZGNRs的自旋過濾效應，并與無558線缺陷的ZGNRs比較。最后，提出了實現高性能石墨烯自旋過濾器的一種可行的方法。
【專利說明】一種改善石墨烯納米器件自旋過濾效應的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電子【技術領域】，涉及一種改善石墨烯納米器件自旋過濾效應的方法， 具體地說，涉及一種利用電場和線缺陷改善石墨烯納米器件自旋過濾效應的方法。
【背景技術】
[0002] 自旋電子學是利用電子的自旋自由度來進行信息存儲和邏輯運算，從而降低能 耗，提高數據處理速度，并提高集成密度。石墨烯因為其高電子遷移率、門壓可調性和自旋 壽命長的潛力，在自旋電子學領域已經引起了很多的關注。石墨烯由于長的電子平均自由 路徑和小的自旋-軌道耦合而具有很長的自旋散射時間，以及電子自旋與碳原子核之間的 較低的超精細相互作用。石墨烯有可能是在自旋電子學和相關應用領域的一種很有前途的 材料，比如自旋量子比特，側向的自旋閥，自旋過濾器，自旋場效應晶體管等。但對于鋸齒形 石墨烯納米帶（ZGNR)，其零（窄）帶隙限制其在電子學中的應用。雖然已經提出了不少方 法來打開石墨烯的帶隙，但這些方案面臨著如下一些關鍵挑戰：通過化學摻雜和吸附形成 的結構，沒有足夠的穩定性，實驗上操縱也非常困難；鐵磁金屬電極和石墨烯之間的電導失 配等問題。然而，如果是完全基于石墨烯材料的自旋電子器件就可以克服以上問題。因此 全石墨烯自旋電子器件需要進一步研究。
[0003] 石墨烯納米帶（GNRs)作為一種低維蜂窩晶格的材料，有可調的電子特性，它不僅 依賴于邊緣形狀、化學摻雜和幾何變形，但也受結構性缺陷和外部電/磁場的影響。結構上 的缺陷，可能是在生長或加工過程中出現的，會使基于石墨烯的器件的性能變差。然而，這 些偏離完美缺陷在某些情況下可能是有用的。如最近Lahiri等人報道，首先用實驗實現了 擴展的線缺陷存在石墨烯中，線缺陷由八邊形和成對五邊形的sp2雜化的碳環嵌在一個完 美的石墨烯片上組成，表示為558缺陷。他們用掃描隧道顯微鏡（STM)觀察了這個缺陷，是 一個一維拓撲缺陷，還指出該缺陷為準一維金屬線。GNRs另一個吸引人的特點是，他們的 電磁性質可以通過外加電場調節控制。例如，Son等人研究預測，邊緣反鐵磁性的單層ZGNR 在外加橫向電場后可由半導體過渡到半金屬。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服上述技術存在的缺陷，提供一種改善石墨烯納米器件自旋 過濾效應的方法，使用第一原理方法，首先模擬有線缺陷（558缺陷）ZGNR的STM圖像，然后 研究在外加電場下的線缺陷ZGNRs的自旋相關的特性，通過引入線缺陷和外加橫向電場調 控自旋ZGNRs的自旋過濾效應，并與無558線缺陷的ZGNRs比較。最后，提出了實現高性能 石墨烯自旋過濾器的一種可行的方法。
[0005] 其具體技術方案為：
[0006] -種改善石墨烯納米器件自旋過濾效應的方法，包括以下步驟：
[0007] 1)在Ni (111)基板表面上生長石墨烯，當晶格失配時沿位錯線就形成一維拓撲結 構的558線缺陷；
[0008] 2)利用電子束刻蝕技術，將石墨烯裁剪成1. 5nm寬的條帶，并使558線缺陷位于條 帶的中間位置；
[0009] 3)沿條帶的長度方向在條帶的左端和右端分別連接上電極，可以在條帶上改變偏 壓的大小；
[0010] 4)沿條帶的寬度方向加上兩個復合柵電極，形成一個垂直于長度方向并在帶平面 內的外部橫向電場，電場強度可通過兩個柵電極的電壓來調控；
[0011] 5)測量該系統在不同偏壓和不同電場強度下的自旋電流及自旋過濾效率。
[0012] 優選地，一是保證558線缺陷在石墨烯納米帶的正中間；二是外部橫向電場Eext 可調，最大值可達5V/nm。
[0013] 與現有技術相比，本發明的有益效果為：本發明設計的石墨烯納米器件，當外部橫 向電場Eext = 3. Ov/nm時，能在0?0. 6V大偏壓范圍內，其自旋過濾的效率能夠穩定達到 60%?81%。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1 (a)帶有線缺陷的ZGNR的超元胞圖。深色部分為558缺陷，Ml和M2分別對 應最接近與次最接近鋸齒邊緣的模型，M3對應一個線缺陷正位于中心的模型。圖1(b) - 個ZGNR器件示意圖。深色箭頭表示在GNR平面內的外部橫向電場方向；
[0015] 圖2是帶有558缺陷的ZGNR的第一性原理計算的STM圖像與模型的重疊；
[0016] 圖3是GNR平面上的自旋極化密度的切面圖，圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)和圖3(d) 分別對應7-ZGNR、Ml、M2和M3,黑色圓表示原子位置，圖標中的正（負）數字表示多數（少 數）自旋密度；
[0017] 圖4中，圖4 (a)和圖4 (b)分別顯示7-ZGNR系統在橫向電場作用下總的伏-安特 性和自旋分辨的伏-安特性，圖4(c)和圖4(d)分別顯示558-defect-7-ZGNR系統在橫向 電場作用下總的伏-安特性和自旋分辨的伏-安特性。實線表示多數自旋，虛線表示少數 自旋，在圖4(a)和圖4(c)中分別給出無缺陷ZGNR和有線缺陷ZGNR系統的器件模型圖；
[0018] 圖5中，圖5(a)和圖5(b)自旋過濾效率與外部橫向電場和偏壓的函數關系，圖 5(a)和圖5(b)分別對應7-ZGNR系統和558-defect-7-ZGNR系統，圖5(c)基于有線缺陷 ZGNR設計的自旋器件的自旋過濾效率和自旋分辨的伏-安特性；
[0019] 圖6是設計的自旋器件在不同橫向電場Eext下的分子軌道演變，圖6 (a)、圖6 (b) 和圖6(c)分別對應Eext = 2. OV/nm, 3. OV/nm和4. OV/nm，加粗的黑色虛線表示偏壓窗口。
【具體實施方式】
[0020] 為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結 合附圖和具體實施例，進一步闡述本發明。
[0021] 1.計算模型與研究方法
[0022] 研究包含558線缺陷ZGNRs的模型，如圖1所示，這里寬度上有七個鋸齒碳鏈，記 為558-defect-7-ZGNR，其寬度值約為1.5nm。所有的邊緣碳原子用氫原子飽和。弛豫后， 該558-defect-7-ZGNR保持平面結構。考慮了三種不同的元胞研究線缺陷位置的影響。Ml 和M2分別對應最接近與次最接近鋸齒邊緣的模型，M3對應一個線缺陷位于中心的模型。并 與完好的ZGNR比較。在圖1(b)中，左右灰色矩形框包圍的兩個對稱的區域表示兩個石墨 電極，提供偏壓（Vb)。頂部和底部對稱區域表示兩個復合的柵電極，通過柵極電壓（Vg)提 供外部電場（Eext)。
[0023] 結構優化和電子性質的計算是由基于非平衡格林函數結合密度泛函理論 的AtomistixToolKit工具包來實現。使用局域自旋密度近似（LSDA)和單軌域指數 (single-zeta)極化基組（SZP)。能量和力的收斂標準分別設定為lX10_ 5eV和0.05CV/A。 1(點采樣為1\10\100，截止能量為1501^，電子溫度固定在3001(。偏壓￥ 13下的自旋電流 I。可用Landaucr-BiiUiker公式計算：
[0024]
【權利要求】
1. 一種改善石墨烯納米器件自旋過濾效應的方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 在Ni (111)基板表面上生長石墨烯，當晶格失配時沿位錯線就形成一維拓撲結構的 558線缺陷； 2) 利用電子束刻蝕技術，將石墨烯裁剪成1. 5nm寬的條帶，并使558線缺陷位于條帶的 中間位置； 3) 沿條帶的長度方向在條帶的左端和右端分別連接上電極，可以在條帶上改變偏壓的 大小； 4) 沿條帶的寬度方向加上兩個復合柵電極，形成一個垂直于長度方向并在帶平面內的 外部橫向電場，電場強度可通過兩個柵電極的電壓來調控； 5) 測量該系統在不同偏壓和不同電場強度下的自旋電流及自旋過濾效率。
【文檔編號】B82Y40/00GK104157785SQ201410369166
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】唐貴平, 黃雅婧 申請人:長沙理工大學