基于密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)方法

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0 1引言

隨著人們對(duì)微觀尺度的研究越來越精細(xì)，很多的新型人工合成材料被制備出來，由原子級(jí)的二維材料堆疊形成的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)是近年來研究最熱的合成材料之一，它的出現(xiàn)拓寬了二維材料的應(yīng)用范圍。如何在二維材料中找到可以用于穩(wěn)定的高自旋極化輸運(yùn)甚至完全自旋極化輸運(yùn)器件的材料，成為了二維材料研究中的重要問題。研究表明，石墨烯/氮化硼堆疊形成的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)材料因其具有特殊的磁性邊緣態(tài)，自身是一個(gè)自旋相關(guān)的半導(dǎo)體，在外場調(diào)控下可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體到半金屬的相變，所以石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)成為實(shí)現(xiàn)自旋輸運(yùn)這一目標(biāo)的候選材料之一。受此啟發(fā)，我們研究了石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)在局域電壓下的帶隙和可能的相變，以此性質(zhì)構(gòu)建了穩(wěn)定的自旋極化相關(guān)輸運(yùn)器件，并對(duì)自旋極化的機(jī)理進(jìn)行了解釋。

0 2成果簡介

本文使用鴻之微DS-PAW軟件并結(jié)合Nanodcal軟件研究鋸齒型石墨烯/氮化硼納米帶范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的能帶調(diào)控和電子輸運(yùn)性質(zhì)。結(jié)果表明：在局域電壓或者橫向門電壓作用下，石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)會(huì)表現(xiàn)出半金屬性。以石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)建了兩種輸運(yùn)器件，一種器件可以實(shí)現(xiàn)完全自旋極化輸運(yùn)；另一種器件則可以實(shí)現(xiàn)自旋極化率大于 60％的電子輸運(yùn)。利用石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)建一個(gè)電極區(qū)域受柵極電壓控制的磁隧穿器件，其隧穿磁阻在局域電壓調(diào)控下可達(dá)到 3.53×104。這些結(jié)果表明石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)在自旋電子器件領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

0 3圖文導(dǎo)讀

圖1 頂部圖片：石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)原子結(jié)構(gòu)的俯視圖。底部圖片：石墨烯/ 氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的側(cè)視圖。

圖2(a)-(d)石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)被施加局域電壓后的能帶。(e)局域電壓下石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的能帶帶隙值隨局域電壓的變化。

圖3(a)和(b)完全自旋極化輸運(yùn)器件的俯視圖和側(cè)視圖。(c)隨偏壓增大的電流。(d)和(f)偏壓為 0.65V 時(shí)器件的透射譜和中心散射區(qū)態(tài)密度。(f)無偏壓下器件的透射譜。(g)和(h)無偏壓下器件緩沖層和中心散射區(qū)的態(tài)密度。

圖4(a)和(b)分別為高自旋極化輸運(yùn)器件的俯視圖和側(cè)視圖。(c)無局域門電壓下的器件透射譜。(d)與自旋相關(guān)的 I-V 曲線和自旋極化率曲線。(e)和(f)計(jì)算了偏壓為 1.3 V 時(shí)費(fèi)米能級(jí)處器件的自旋向上和自旋向下的散射態(tài)。

圖5 帶有柵極電壓的輸運(yùn)器件的(a) SP 和ASP 電導(dǎo)。(b)帶有柵極電壓的磁隧道電阻。SP 狀態(tài)表示自旋平行態(tài)，ASP 狀態(tài)表示反自旋平行態(tài)。

圖 6 在VG = 18 V 時(shí)沿 x 方向的 SP 狀態(tài)的PDOS：(a)自旋向上狀態(tài)；(b)自旋向下狀態(tài)。在VG = 18 V 時(shí)沿 x 方向的ASP 狀態(tài)的PDOS：(c)自旋向上狀態(tài)；(d)自旋向下狀態(tài)。x1、x2、x3 的位置標(biāo)記在圖 4(b)中。

0 4小結(jié)

本文采用密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)方法，利用鴻之微DS-PAW軟件和Nanodcal軟件研究鋸齒型石墨烯/氮化硼納米帶范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的能帶調(diào)控和電子輸運(yùn)性質(zhì)。結(jié)果表明：（1）在局域電壓或者橫向門電壓作用下，石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)會(huì)表現(xiàn)出半金屬性，體系會(huì)經(jīng)歷半導(dǎo)體-半金屬-半導(dǎo)體相變。（2）以石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)建了兩種輸運(yùn)器件，一種器件實(shí)現(xiàn)了在偏壓范圍 0.62 V到 0.73 V 下實(shí)現(xiàn)完全自旋極化輸運(yùn)。另一種器件實(shí)現(xiàn)了在偏壓范圍1 V到 1.6 V 下實(shí)現(xiàn)自旋極化率大于 60％的電子輸運(yùn)。（3）以石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)建了一個(gè)電極區(qū)域受柵極電壓控制的磁隧穿器件，其隧穿磁阻值在 18V 的局域電壓下可達(dá)到 3.53×104，大于傳統(tǒng)磁隧道結(jié)器件。