一種改善石墨烯納米器件自旋過濾效應(yīng)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種改善石墨烯納米器件自旋過濾效應(yīng)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(chǎng)下的線缺陷ZGNRs的自旋相關(guān)的特性，通過引入線缺陷和外加橫向電場(chǎng)調(diào)控自旋ZGNRs的自旋過濾效應(yīng)，并與無558線缺陷的ZGNRs比較。最后，提出了實(shí)現(xiàn)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(yīng)的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種改善石墨烯納米器件自旋過濾效應(yīng)的方法， 具體地說，涉及一種利用電場(chǎng)和線缺陷改善石墨烯納米器件自旋過濾效應(yīng)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 自旋電子學(xué)是利用電子的自旋自由度來進(jìn)行信息存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算，從而降低能 耗，提高數(shù)據(jù)處理速度，并提高集成密度。石墨烯因?yàn)槠涓唠娮舆w移率、門壓可調(diào)性和自旋 壽命長的潛力，在自旋電子學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)引起了很多的關(guān)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(shí)間，以及電子自旋與碳原子核之間的 較低的超精細(xì)相互作用。石墨烯有可能是在自旋電子學(xué)和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的一種很有前途的 材料，比如自旋量子比特，側(cè)向的自旋閥，自旋過濾器，自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。但對(duì)于鋸齒形 石墨烯納米帶（ZGNR)，其零（窄）帶隙限制其在電子學(xué)中的應(yīng)用。雖然已經(jīng)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(guān)鍵挑戰(zhàn)：通過化學(xué)摻雜和吸附形成 的結(jié)構(gòu)，沒有足夠的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)上操縱也非常困難；鐵磁金屬電極和石墨烯之間的電導(dǎo)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(jìn)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(diào)的電子特性，它不僅 依賴于邊緣形狀、化學(xué)摻雜和幾何變形，但也受結(jié)構(gòu)性缺陷和外部電/磁場(chǎng)的影響。結(jié)構(gòu)上 的缺陷，可能是在生長或加工過程中出現(xiàn)的，會(huì)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(bào)道，首先用實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了 擴(kuò)展的線缺陷存在石墨烯中，線缺陷由八邊形和成對(duì)五邊形的sp2雜化的碳環(huán)嵌在一個(gè)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(gè)缺陷，是 一個(gè)一維拓?fù)淙毕?，還指出該缺陷為準(zhǔn)一維金屬線。GNRs另一個(gè)吸引人的特點(diǎn)是，他們的 電磁性質(zhì)可以通過外加電場(chǎng)調(diào)節(jié)控制。例如，Son等人研究預(yù)測(cè)，邊緣反鐵磁性的單層ZGNR 在外加橫向電場(chǎng)后可由半導(dǎo)體過渡到半金屬。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)存在的缺陷，提供一種改善石墨烯納米器件自旋 過濾效應(yīng)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(chǎng)下的線缺陷ZGNRs的自旋相關(guān)的特性，通過引入線缺陷和外加橫向電場(chǎng)調(diào) 控自旋ZGNRs的自旋過濾效應(yīng)，并與無558線缺陷的ZGNRs比較。最后，提出了實(shí)現(xiàn)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(shù)方案為：
[0006] -種改善石墨烯納米器件自旋過濾效應(yīng)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(dāng)晶格失配時(shí)沿位錯(cuò)線就形成一維拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)的558線缺陷；
[0008] 2)利用電子束刻蝕技術(shù)，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?。?br> [0010] 4)沿條帶的寬度方向加上兩個(gè)復(fù)合柵電極，形成一個(gè)垂直于長度方向并在帶平面 內(nèi)的外部橫向電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度可通過兩個(gè)柵電極的電壓來調(diào)控；
[0011] 5)測(cè)量該系統(tǒng)在不同偏壓和不同電場(chǎng)強(qiáng)度下的自旋電流及自旋過濾效率。
[0012] 優(yōu)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(chǎng)Eext 可調(diào)，最大值可達(dá)5V/nm。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明設(shè)計(jì)的石墨烯納米器件，當(dāng)外部橫 向電場(chǎng)Eext = 3. Ov/nm時(shí)，能在0?0. 6V大偏壓范圍內(nèi)，其自旋過濾的效率能夠穩(wěn)定達(dá)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(duì) 應(yīng)最接近與次最接近鋸齒邊緣的模型，M3對(duì)應(yīng)一個(gè)線缺陷正位于中心的模型。圖1(b) - 個(gè)ZGNR器件示意圖。深色箭頭表示在GNR平面內(nèi)的外部橫向電場(chǎng)方向；
[0015] 圖2是帶有558缺陷的ZGNR的第一性原理計(jì)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(duì)應(yīng)7-ZGNR、Ml、M2和M3,黑色圓表示原子位置，圖標(biāo)中的正（負(fù)）數(shù)字表示多數(shù)（少 數(shù)）自旋密度；
[0017] 圖4中，圖4 (a)和圖4 (b)分別顯示7-ZGNR系統(tǒng)在橫向電場(chǎng)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(tǒng)在橫向 電場(chǎng)作用下總的伏-安特性和自旋分辨的伏-安特性。實(shí)線表示多數(shù)自旋，虛線表示少數(shù) 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(tǒng)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(chǎng)和偏壓的函數(shù)關(guān)系，圖 5(a)和圖5(b)分別對(duì)應(yīng)7-ZGNR系統(tǒng)和558-defect-7-ZGNR系統(tǒng)，圖5(c)基于有線缺陷 ZGNR設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的自旋器件在不同橫向電場(chǎng)Eext下的分子軌道演變，圖6 (a)、圖6 (b) 和圖6(c)分別對(duì)應(yīng)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(shí)施方式】
[0020] 為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié) 合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0021] 1.計(jì)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(gè)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(jié)構(gòu)?？紤]了三種不同的元胞研究線缺陷位置的影響。Ml 和M2分別對(duì)應(yīng)最接近與次最接近鋸齒邊緣的模型，M3對(duì)應(yīng)一個(gè)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(gè)對(duì)稱的區(qū)域表示兩個(gè)石墨 電極，提供偏壓（Vb)。頂部和底部對(duì)稱區(qū)域表示兩個(gè)復(fù)合的柵電極，通過柵極電壓（Vg)提 供外部電場(chǎng)（Eext)。
[0023] 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電子性質(zhì)的計(jì)算是由基于非平衡格林函數(shù)結(jié)合密度泛函理論 的AtomistixToolKit工具包來實(shí)現(xiàn)。使用局域自旋密度近似（LSDA)和單軌域指數(shù) (single-zeta)極化基組（SZP)。能量和力的收斂標(biāo)準(zhǔn)分別設(shè)定為lX10_ 5eV和0.05CV/A。 1(點(diǎn)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?？捎肔andaucr-BiiUiker公式計(jì)算：
[0024]

【權(quán)利要求】
1. 一種改善石墨烯納米器件自旋過濾效應(yīng)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(dāng)晶格失配時(shí)沿位錯(cuò)線就形成一維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 558線缺陷； 2) 利用電子束刻蝕技術(shù)，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?。? 4) 沿條帶的寬度方向加上兩個(gè)復(fù)合柵電極，形成一個(gè)垂直于長度方向并在帶平面內(nèi)的 外部橫向電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度可通過兩個(gè)柵電極的電壓來調(diào)控； 5) 測(cè)量該系統(tǒng)在不同偏壓和不同電場(chǎng)強(qiáng)度下的自旋電流及自旋過濾效率。
【文檔編號(hào)】B82Y40/00GK104157785SQ201410369166
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】唐貴平, 黃雅婧 申請(qǐng)人:長沙理工大學(xué)