导读:本文包含了自旋电子学论文开题报告文献综述、选题提纲参考文献及外文文献翻译，主要关键词:电子学,石墨,材料,效应,密度,分子,理论。
自旋电子学论文文献综述
李瑾[1]（2019）在《石墨炔基分子自旋电子学器件输运性质的理论研究》一文中研究指出手机、电脑、存储器等电子产品性能的不断提高归功于芯片的发展,而芯片的发展一直遵循着摩尔定律,这在很大程度上提高电子产品性能的同时也降低了它们的成本。随着芯片尺寸的进一步减小,电子干涉、隧穿、衍射等量子效应的出现使得摩尔定律面临失效的危险。基于量子力学的分子自旋电子学器件是解决这一问题的有效方法,它一方面避免了量子效应带来的负面影响;另一方面,分子自旋电子学器件优于传统电子学器件之处是在电荷的基础上引入了自旋。自旋电子间相互作用比电荷电子间相互作用弱1000倍,这在原理上决定了自旋电子学器件要比传统的微电子器件有更低的能耗和更高的稳定性。而输运性质是电子产品工作的基本原理。因此,探索分子自旋电子学器件的自旋相关输运性质可以为纳米电子学和自旋电子学提供潜在应用。基于以上背景,本论文首先系统研究ZγGYNRs的电子学和磁学性质以及相应同质结的输运性质。结果表明,ZγGYNR的性质可通过O、B或N原子替换进行有效调控。所设计的ZγGYNR同质结有很丰富的输运性质:隧穿磁阻效应(TMR)、负微分电阻效应(NDR)、反常磁阻效应(AMR)以及自旋过滤效应(SPR)。O、B或N替换以后,同质结的输运性质明显增强。但与文献报道的结果相比,TMR和SPR依然不是很高,因此,在之后的工作中引入分子磁隧穿结。第二部分工作致力于设计出新颖的石墨炔-石墨烯分子磁隧穿结(MMTJs),研究其自旋相关输运性质。结果表明,所设计的两种MMTJs有不同的输运机理,重要的单自旋过滤、双自旋过滤、隧穿磁阻效应和自旋负微分电阻效应都可以在这两种MMTJs中发现。此外,自旋极化光电流与光的极化方向和电极的磁化方向有关。第叁部分工作基于6,6,12-石墨炔和ZGNRs设计了两种分子自旋电子学器件,研究γ-石墨炔替换6,6,12-石墨炔后的自旋过滤效应和隧穿磁阻效应。结果表明两种MMTJs有高的极化率和大的隧穿磁阻值,这在实际应用中可提高器件的灵敏度。(本文来源于《太原理工大学》期刊2019-06-01）
吕海峰[2]（2019）在《自旋电子学与能源材料的理论设计与模拟》一文中研究指出新材料的制备以及对材料新物性的发现和调控持续推动着人类科技的进步与发展。回溯过往,每一次重大的科技突破都是以材料的发展作为物质基础条件。长期以来,材料领域的研究采用经验指导实验的模式,研发周期长,成本高,寻找新的研发材料的模式成为当务之急。随着计算资源的丰富,基于第一性原理的计算材料学逐渐成为材料领域的重要组成部分。计算材料可以从基本的物理模型出发,在原子尺度上构建材料性能和电子结构之间的对应关系,实现计算模拟,实验验证的新研究模式。所以,本文从基于密度泛函理论的第一性原理方法出发,对低维自旋电子学材料,电子阴离子化合物材料以及原子晶体进行功能性设计和性质研究,主要包括以下几个方面:自旋电子学材料基于电子自旋,相较于电子电荷,具有响应时间短,可集成密度高,能耗低等优势,是未来信息产业的重要载体。从电子结构来看,自旋电子学材料包括磁性半导体,半金属,狄拉克半金属,双极磁性半导体等。其中,磁性半导体材料在半导体中引入磁性,利用自旋-电荷耦合,为微电子器件增加更多自由度。同时,磁性半导体材料可以兼容于当前的半导体产业,适于规模化集成。基于半金属可以进行自旋过滤,自旋注入等。自旋电子学材料在一些领域已经有所利用,如磁存储等,然而,在信息的传递以及处理方面还面临挑战,如自旋极化效率,自旋动力学以及自旋弛豫,自旋探测。解决这些问题,需要寻找新体系,新模型,新调控方式。结合第一性原理和设计策略,我们提出具备可合成性的低维自旋电子学材料,理论模拟验证其具有特殊电子结构,可以加深对自旋电子学材料的研究和应用。电子阴离子化合物通常具有非平衡的表征电荷,晶体中非局域的电子作为阴离子才可以保持电中性,区别于传统化合物。对于非局域电子,原子核束缚能力较弱,从而形成电子阴离子化合物独特的电子性质。电子阴离子化合物的概念提出较早,在有机体系中得到验证,但由于其化学稳定性差,实验制备和性能表征落后于理论研究。随着无机电子阴离子化合物的合成,基于其特殊性质进行催化方面的研究逐渐引起关注,如合成氨反应。然而,电子阴离子化合物的研究仍然面临诸多问题,可合成体系的晶体结构较为单一,催化应用上反应机理不明,稳定性差等。结合理论设计和电子局域函数等理论表征手段,我们提出新型电子阴离子化合物材料,具有特殊电子性质。基于电子阴离子化合物的强还原性,我们提出一种异质结结构作为酸性环境中氧气还原反应中的电极材料,热力学计算验证催化活性优于金属铂。通过材料设计和催化机理上的研究,可以拓宽对电子阴离子化合物的认识,为实验制备和实际应用提供帮助。原子晶体降维促成了石墨烯的合成,打破了二维晶体无法在有限温度下稳定存在的传统认识。从碳开始,第四主族,第五主族的二维单质逐渐被合成,比如硅烯,黑磷等。最近,实验中在银衬底上成功合成了硼的二维单质。关于二维非金属单质的实验以及理论研究一直是研究的焦点。在这一领域,理论模拟存在更深入,更广泛的研究。基于合成晶体的结构得到电子性质,基于功能的反向设计,基于算法的全局结构搜索,基于分子动力学的生长过程模拟,基于缺陷的性质调控,基于晶界的超硬材料设计,基于不同堆迭方式甚至可实现室温超导等。二维非金属单质为材料的设计和调控了理想的载体,在此基础上,理论模拟,第一性原理方法的应用也是势在必行。本文共分为六章。第一章主要介绍计算材料的“方法论”,即计算量子化学。量子化学以薛定谔方程为基础来描述材料的电子结构。计算先获得分子体系的电子波函数,通过电子波函数进一步计算得到分子性质,但由于多体薛定谔方程中的复杂性,计算量大。密度泛函理论用电子密度取代波函数作为研究的核心物理量,电子密度仅是叁个变量的函数,相对于波函数,处理起来更加方便,多电子体系的计算量得到降低。密度泛函理论自提出以来交换关联势的描述得到一定的进展,以得到更精确基态电子密度描述材料性质。近来,基于密度泛函理论的理论模拟被广泛应用于多达上千原子的体系中,在电磁光热等性质的描述上都由一定的进展。本文工作主要基于密度泛函理论,在本章中我们详细介绍密度泛函理论的发展及应用。第二章主要介绍自旋电子学材料的理论设计和调控机制。从结构设计策略上,主要包括体相剥离得到原子厚度的二维材料,分子自组装得到晶体结构以及化学物理改性得到新型二维材料。从电子结构上,从过渡族金属氢氧化物中得到磁性半导体材料,从一维过渡族金属氢化物中得到半金属,磁性金属等,从二维过渡族金属氢化物中得到具有自旋极化狄拉克材料。结合上述方式,我们构建了一维分子纳米线MH3(M=Sc,Cr,Mn,Co),过渡族金属原子位于中心,通过氢原子桥连在一起,形成周期性的晶体结构,其中CoH3基态为半金属,MnH3通过电荷注入可以实现半金属。晶体配位理论用来可以解释其磁性的来源。分子纳米线具有高磁晶各向异性能,可以抵抗一定程度的热涨落,稳定长程磁序。二维过渡族金属氢化物MH2(M=Mo,W)以二维过渡族金属硫化物作为模板,通过氢元素取代其中的硫族元素得到。以金属原子为中心的八面体构型和叁菱柱构型都可以在一定条件下稳定存在,八面体构型更加稳定。基态计算都为金属,其中八面体构型的MoH2具有长程铁磁序,具有高居里温度和高磁晶各向异性能。从其电子结构中观察到具有自旋极化的狄拉克点,费米速度可达到～106 ms-1。从相应的体相中得到二维过渡族金属氢氧化物MOOH(M=Sc,Cr,Fe),金属原子位于氧原子构成的八面体中心位置,氢原子全部位于同侧的氧原子上。其中CrOOH具有长程铁磁序,其体相为半导体,剥离之后的二维结构也为半导体,杂化泛函得到带隙1.89 eV,居里温度为176K。通过电子结构和配位场理论,Cr3+处于高自旋态,磁晶各向异性能为90 meV。计算发现CrOOH可以通过脱氢实现从铁磁到反铁磁的转变,实现磁性翻转的化学调控。第叁章主要介绍电子阴离子化合物和石墨烯复合材料用于氧还原反应以及一类零维电子阴离子化合物的理论设计。电子阴离子化合物中原子对阴离子电子的弱束缚效应使其本身成为良好的电子供体,和石墨烯组成的复合材料,从电子阴离子化合物向石墨烯的电子转移可以改善其氧还原反应活性,增强对中间产物的吸附,降低热力学势垒。石墨烯良好的电导和防腐蚀性可以对电子阴离子化合物衬底提供保护,材料的循环性能得到保障。这里我们采取了两种电子阴离子化合物作为衬底,具有一维阴离子电子的过渡族金属硅化物Y5Si3以及二维电子气的Ca2N单层。两种电子阴离子化合物都具有低功函,易失电子。石墨烯得到转移的电子,基于电催化模型,石墨烯在氧气分子质子化中热力学势垒下降,催化活性得到增强,在石墨烯与Ca2N单层的复合材料中,质子化势垒低于金属铂表面。基于晶体结构设计,我们提出一类化学配比为M3X(M=K,Ca;X=O,S or N,P)的零维电子阴离子化合物,具有anti-CrI3的晶体构型,阴离子电子位于孔隙中。较多非平衡的表征电荷,具有孔隙的二维构型,较大的结合能,使其成为具可合成性的潜在电子阴离子化合物。低功函可以用于电子供体,其中Ca3P为狄拉克材料。第四章主要介绍基于硼的二维原子晶体以及氧化石墨炔。硼具有多中心电子的特性,成键类型丰富,是研究二维原子晶体的理想载体。硼二维晶体结构的理论研究较早,借助于硼纳米片,研究者对硼的二维晶体结构进行了预测和模拟。其中空位的引入尤为瞩目,空位密度与硼结构稳定性的关联研究是硼二维晶体早期工作的重点。随着基于势能面的结构搜索的发展,寻找全局最优以及衬底受限生长的硼二维晶体取得较大进展。随着硼二维晶体的合成,硼的电子性质和应用逐渐引起关注,但由于硼的缺电子和多中心的特性,目前尚未实现具有带隙的硼二维晶体。借助于硼团簇和不同的成键类型,我们提出可以通过不同单元之间轨道的能级位置差设计具有本征带隙的硼二维晶体结构。引入的硼单元主要基于B12团簇。B12团簇为二十面体,为体相菱形硼中的基本单元,通过不同的组装方式可以形成硼二维晶体。经计算发现,稳定性高于实验合成的硼二维晶体且具有本征的带隙值。电子结构的进一步计算得到硼二维晶体的带边电荷密度布居,导带底和价带顶的位置处于不同的硼原子上,且具有明显的差异。基于二维石墨炔,我们研究了氧在石墨炔上的稳定存在类型,热力学计算表明醚基是氧在石墨炔上的稳定存在基团。从电子结构上,氧化可以加大带隙,从直接带隙变为间接带隙。通过全氧化构型,我们得到C:O=3:1化学配比的二维晶体,其带隙值和能级位置和单层黑磷接近,且其稳定性高于黑磷,可以成为取代黑磷在光催化领域应用的潜在二维材料。第五章介绍了实验合作的离子超级电容器的理论计算工作以及锂硫电池工作。离子超级电容器通过离子快速传输进行充放电循环,是一种具有高容量,高倍率性能的储能器件。其中,离子的迁移速率和电池、电容性质紧密相关,从理论角度来看,离子在材料中的迁移速率是影响离子超级电容器性能高低的重要因素。所以结合实验工作,我们研究了两种材料Li3VO4以及Ti2Nb209中锂离子和钠离子的迁移路径以及迁移能垒。上述工作促进了材料中的固体迁移机制的了解并为设计新的离子超级电容器提供了理论基础。锂硫电池具有较大的容量,较低的成本被研究者所关注,选取合适的电极材料保证锂硫电池的循环稳定性是关键所在,结合实验,我们验证了 Vermiculite具有作为电极材料的潜力。第六章介绍了和实验合作的单原子选择性氢化和C02电催化还原的理论模拟工作。单原子催化可以最大效率的利用原子的催化活性,同时是建立结构-性能关联的合适体系。C02电催化可以建立可持续的能源体系,同时解决温室效应等环境问题。通过计算模拟,我们验证了上述实验的反应机理,为合理设计实验提供了指导帮助。(本文来源于《中国科学技术大学》期刊2019-05-01）
谷现荣,郭立丹,秦阳,孙向南[3]（2018）在《基于分子自旋阀的自旋电子学》一文中研究指出分子半导体材料因具有很长的自旋弛豫时间,被认为在自旋电子学领域存在巨大的应用潜力.在基于分子半导体材料开展的自旋电子学研究被首次报道后的十余年里,以分子自旋阀为载体的自旋电子学研究取得了巨大发展并引起了广泛关注.本文将围绕分子自旋阀中的自旋注入、界面效应和输运等关键研究方向,综述近年来该研究领域的重要研究成果,具体包括:分子自旋阀制备工艺改善、结构优化对自旋注入效率的提升,自旋界面效应对优化注入和调控信号等方面的最新进展;以及分子半导体中自旋输运距离优化和输运机制研究结果.最后,基于分子自旋阀中的注入、界面效应和输运的研究基础,展望分子自旋阀多功能化这一新兴研究方向的发展前景.以上进展对未来自旋电子学和分子电子学领域进一步交叉研究的开展具有借鉴价值.(本文来源于《科学通报》期刊2018年35期）
郑安民[4]（2018）在《几种低维自旋电子学材料的电子结构和磁性的密度泛函理论研究》一文中研究指出自旋电子学(Spintronics)是将电子的自旋效应与传统微电子学相结合的一门新兴科学技术,为研究和开发下一代全新功能的微电子器件提供了前所未有的发展机遇。传统半导体材料的电子运动速度会受到能量分散的限制,而基于电子的自旋方向改变和自旋间耦合的自旋电子元器件,每秒种可实现数十亿次的逻辑功能。相较于半导体材料元器件而言,自旋电子学元器件大大降低了能量损耗,即自旋电子元器件以消耗更少的能量实现更快的速度和更多的功能。(i)石墨烯(graphene)是碳原子以sp2杂化形式构成的单原子层厚度的二维晶格,具有光学、热学以及电学和力学等优良性能,已经引起了科学界的广泛兴趣。基于密度泛函理论(density functional theory,DFT),本文主要讨论金属原子(Na,Cu和Fe)吸附叁层石墨烯、氢原子及二聚体吸附单双层石墨烯的电子结构和磁性控制。(ii)半金属(half-metal,HM)材料具有高达100%的传导电子自旋极化率,是一种具有巨大应用潜力、有着重要应用前景和科学意义的自旋电子学材料。基于密度泛函理论,本文重点研究具有低磁矩的Heusler半金属Cr2Co Ga合金的(001)表面态的结构稳定性、电子结构和磁性。首先,我们研究金属原子(Na,Cu和Fe)吸附ABA和ABC两种堆栈次序的叁层石墨烯的电子结构和磁性控制。其中,具体研究和讨论外加电场对石墨烯电子结构和磁性的调控作用。研究结果表明,(i)石墨烯的碳原子与吸附原子之间的成键状态从与碱金属Na原子形成离子键合态转变成与过渡金属Cu和Fe原子形成共价键合态;(ii)外加电场不仅调控着Cu和Fe原子高低自旋态的转换,还激发出了本无磁性(未加电场)Na原子的磁性。显然,我们的这一研究成果对自旋电子学的发展有着很好的参考价值和指导意义。其次,我们研究氢原子及二聚体吸附单双层石墨烯的电子结构和磁性调控。研究发现,(i)无论是单层还是双层石墨烯,单个氢原子的吸附都能够激发石墨烯的磁性;(ii)氢原子二聚体(以下简称二聚体)吸附在单层和双层石墨烯的不同子晶格的对称位置αα,单层和双层石墨烯会发生自旋劈裂而呈现出铁磁金属性;当二取体吸附在相同子晶格的非对称位置αβ,单层和双层石墨烯没有自旋劈裂,从而表现出反铁磁金属性。(iii)基于密度泛函理论(DFT)模拟的扫描隧道显微镜(Scanning Tunnelling Microscopy,STM)的结果显示,石墨烯的自旋极化态基本都局域在氢原子和二聚体所吸附的子晶格区域。这种原子尺度调控的自旋机制延伸到几埃的距离,并导致磁矩之间发生并不常见的直接强烈的长程耦合相互作用。因此,通过原子尺度精度控制二聚体的吸附位,能够非常灵活地裁剪所选择石墨烯区域的磁性。最后,我们研究低磁矩Heusler半金属Cr2Co Ga合金XA和L21结构的(001)表面态性质。半金属完全补偿的铁磁体具有超高的自旋极化率和超低磁矩,已经成为一种非常重要的自旋电子学材料。通过分子束外延技术生长的有序反Heusler结构的Cr2Co Ga薄膜被预测到具有低的磁矩和高的居里温度。为了比较研究XA结构和L21结构的(001)表面态与体相材料的电子结构和磁学性质,我们执行第一性原理计算,研究表明:(i)对XA-Cr2Co Ga结构的(001)表面态。与XA结构体相材料比较,Cr2Ga终结的(001)表面态保持着体相材料的近似半金属性,自旋极化率也有相应提高。由于费米能级附近的自旋向上(上旋态)电子表面态的突出影响,Cr1Co终结的表面态破坏了体相的半金属性。XA结构两种终结的表面态的Cr原子磁矩明显增大,在Cr、Co和Ga原子化学势允许取值的变化范围,Cr2Ga终结的(001)表面态比Cr1Co终结的(001)表面态更稳定。(ii)对L21-Cr2Co Ga结构的(001)表面态。与L21结构体相材料比较,Cr1Cr2终结的(001)表面态的半金属性显着增强(优于XA结构的表面态),自旋极化率达到92%(远高于体相材料的69%)。Co Ga终结的(001)表面态的半金属性则完全消失,自旋极化率仅有27%。L21结构两种终结的表面态的Cr1和Cr2原子的磁性明显增强,在Cr、Co和Ga原子化学势允许取值的变化范围,Cr1Cr2终结的(001)表面态比Co Ga终结的(001)表面态更稳定。因此,不难看出XA结构Cr2Ga终结和L21结构Cr1Cr2终结的(001)表面态在自旋电子学领域可能存在某些潜在应用。(本文来源于《华中科技大学》期刊2018-08-09）
于笑潇,资剑,王兵,陈卓敏[5]（2018）在《自旋电子学研究的现状与趋势》一文中研究指出自旋电子学已经发展成一个跨基础科学、工程设计和产业生产的庞大领域,不但具有重大科学价值,还具有巨大的商业应用价值。加大对新型自旋器件的研究力度,走自主创新的道路,推进研究成果产业化,将有助于我国在未来信息产业的新一轮竞争中获得自主知识产权,取得主动和优势。(本文来源于《科技中国》期刊2018年05期）
姚秋石[6]（2018）在《二维材料在锂离子电池、光电和自旋电子学领域应用的理论研究》一文中研究指出自2004年实验上成功从石墨剥离出石墨烯以来,二维材料的理论和实验研究取得了迅速发展。各种新型二维材料相继被合成,它们的应用涉及晶体管、离子电池、光伏光电器件、传感器和自旋电子学等诸多领域。本文主要采用密度泛函方法,理论上预测了磷烯及其纳米带作为锂离子电池负极材料、超卤素修饰二维有机—无机杂化钙钛矿作为光电材料以及超卤素修饰的石墨型C_3N_4在自旋电子学领域应用的可行性。另外,考虑到二维材料的实际应用离不开衬底,本文还讨论了石墨型氧化锌作为石墨烯衬底的可行性。本文主要分为六个章节,具体内容如下。第一章,简要回顾了二维材料的发展历史,将二维材料分为单元素二维材料、过渡金属二硫属化物、过渡金属碳化物或氮化物以及量子阱材料四大类。介绍了它们在锂离子电池负极材料、光电器件和自旋电子学设备领域的应用和研究进展。第二章,首先介绍了量子化学中非相对论近似、波恩-奥本海默近似和单电子近似。接着介绍了基于波函数的量子化学方法,即哈特里-福克方法。由此引出了以电荷密度作为变量的密度泛函理论,介绍了该理论的发展历程和理论框架。最后,还简单介绍了本文所用软件包。第叁章,采用密度泛函理论模拟,探索了磷烯及其纳米带作为锂离子电池负极材料的可行性。磷烯及其纳米带都是直接带隙半导体,锂化后都出现明显的电荷转移,发生了半导体到金属转变。重要的是,锂离子在单层磷烯表面沿着锯齿型方向迁移的能垒仅有0.09eV,预示着磷烯负极锂离子电池可实现快速充电。另外,磷烯纳米带也保持着锂离子的高速迁移特性。相比于石墨烯或二硫化钼等其它二维材料,锂离子在磷烯表面的迁移能垒是目前已知最低的。第四章,通过超卤素BH--_4逐步替代掺杂二维有机—无机杂化钙钛矿(C_4H_9NH_3)_2PbI_4中的卤素Ⅰ原子,形成(C_4H_9NH_3)_2PbI4-x(BH4)x(x=0-4),其带隙和激子结合能随着x单调递增。(C4H9NH3)2Pb(BH4)4的激子结合能可以与单层磷烯相比拟。另外,不含铅的二维有机—无机杂化钙钛矿(C4H9NH3)2MI4-x(BH4)x(M=Sn和Ge;x=0-4)也呈现出类似的变化趋势。结合量子限域效应和变组份方法可以有效调节二维有机—无机杂化钙钛矿的带隙和激子结合能,使得它们有望成为颜色丰富且发光效率高的光电器件理想材料。第五章,提出使用能带匹配方法设计二维自旋电子学材料的新思路。以石墨型C3N4和超卤素BH4以及BF4为例,通过匹配它们的能级,预测BF4可以诱导石墨型C3N4产生半金属铁磁性。密度泛函理论模拟证实了能带匹配方法的预测,每个BF4可以诱导1μB磁矩,磁矩以铁磁耦合的方式均匀分布在C3N4中二配位的N原子上。另外,从头算分子动力学模拟证实了该材料的稳定性。第六章,考虑到二维材料的实际应用离不开衬底,本章以石墨烯和石墨型氧化锌为例研究了衬底的影响。研究发现,无论石墨型氧化锌衬底中是否存在氧空位缺陷,都可以很好地保护本征石墨烯能带结构中的线性色散关系。石墨烯和石墨型氧化锌形成的复合结构光吸收性质优于独立的单层石墨烯或氧化锌。另外,在外电场下,石墨烯和石墨型氧化锌复合结构也保持着线性色散和高费米速率的特征。因此,推测石墨型氧化锌可能成为石墨烯在实际应用中的优良衬底。(本文来源于《南京理工大学》期刊2018-04-01）
潘洪哲[7]（2018）在《二维碳基自旋电子学材料和狄拉克材料的结构设计与物性研究》一文中研究指出材料与人们的生活息息相关,人类社会的进步离不开新材料的发展。从石器时代到信息时代,历史上每一次重大的经济和社会变革都源于新材料的诞生。然而,传统上寻找新材料需要通过不断尝试、不断修正实验条件的方法来实现。这是一项艰巨的任务,需要投入大量的人力和物力,而且不可避免的会导致实验资源的浪费。随着计算物理学的发展,人们提出了改进这一问题的方法。首先对材料的结构和性质进行理论设计和预测,根据理论结果对材料进行初步筛选,然后再进行实验验证,这将极大地提高实验学家工作的效率,缩短材料制备的周期。本论文所包含的四个研究工作的意义即在于此,即通过对二维碳基自旋电子学和狄拉克材料进行结构设计和物性研究,为它们在实验上的实现提供坚实的理论支撑和指导。自旋电子学器件利用材料中电子的自旋自由度进行信息的传递、处理与存储,具有运行速度更快、集成度更高、耗能更低等传统半导体电子学器件无法比拟的优势,因而自诞生以来就成为人们研究的热点。目前,自旋电子学仍然面临着叁大挑战:自旋的产生与注入、自旋的长程输运以及自旋的探测和调控。解决这些问题最核心和最基础的工作就是寻找到合适的自旋电子学材料。此外,随着电子器件日益集成化和小型化,寻找二维自旋电子学材料已逐渐成为自旋电子学领域的重要研究内容,对于自旋电子学向低维方向发展具有十分重要的实际意义。另外,石墨烯和拓扑绝缘体研究的快速发展导致了一门名为“狄拉克物理”的新兴领域建立起来。这个领域研究的对象是一类具有狄拉克锥的特殊材料(即狄拉克材料)。狄拉克材料的重要特征是其能带在费米能级处具有线性的色散关系。这导致材料中载流子的行为类似于无质量的狄拉克费米子,因此会出现很多新颖的物理现象,例如载流子的弹道传输、克莱恩隧穿、各种量子霍尔效应等。狄拉克材料的这些优势使得它们在高速、低能耗的电子器件中具有广泛的应用前景。随着电子器件尺寸的不断减小,迫切需要发展更多的二维狄拉克材料。根据广义von Neumann-Wigner定理,二维狄拉克材料需要同时满足叁个条件:1)特殊的晶格对称性;2)适当的结构参数;3)合适的费米能级和能带折迭。这导致二维狄拉克材料非常稀少,而二维有机狄拉克材料更是少之又少。迄今为止,人们只发现了两种二维有机狄拉克材料,并且都具有非常低的费米速度。因此,设计具有高费米速度的二维有机狄拉克材料具有很大的实际意义。本论文围绕二维碳基自旋电子学材料和狄拉克材料的结构设计和物性预测展开研究,具体研究内容如下:1.利用基于粒子群优化算法的晶体结构搜索技术结合密度泛函理论计算,首次提出了两种单层B_xC_yN_z结构(B_4CN_3和B_3CN_4),并且从理论上确定了它们的晶格稳定性。计算结果表明这两种B_xC_yN_z体系的磁性基态均为铁磁有序态,并且发现其居里温度均高于室温(分别为337和309 K)。它们各自的能带结构表明B_4CN_3是一种双极磁性半导体(BMS),而B_3CN_4是一种零带隙自旋半导体(SGS),均为潜在的自旋电子学材料。另外,进一步计算表明载流子掺杂可以使B_4CN_3从BMS转变为半金属,并且其自旋极化的方向可以随着掺杂载流子类型(电子或者空穴)不同而进行调整。B_4CN_3的BMS性质在外加应力或者强电场情况下非常稳固。相比之下,作为一种SGS,B_3CN_4的电子性质对于外在的影响则相对敏感。本研究提出了两种在自旋电子学中具有潜在应用的不含金属元素的二维材料,为相关实验提供了理论参考。2.本论文的第二个工作进一步研究了由B_4CN_3(B_3CN_4)和h-BN所构成的B_4CN_3/BN和B_3CN_4/BN双层异质体系。计算结果表明:1)单层B_4CN_3和B_3CN_4均可以通过范德瓦耳斯作用稳固的吸附在单层h-BN上;2)B_4CN_3/BN和B_3CN_4/BN双层异质体系分别表现为BMS和SGS性质。进一步的计算表明:1)这两种体系的磁矩以及自旋电子学性质主要来自于体系中B_4CN_3和B_3CN_4层上碳原子2p_z轨道电子的贡献;2)B_4CN_3/BN双层体系的BMS行为对于层间耦合的影响表现的非常稳固,而B_3CN_4/BN双层体系的电子性质却对于层间耦合作用非常敏感。这些结果不但对于理解B_4CN_3(B_3CN_4)和h-BN层间的耦合作用很有帮助,同时也在理论上证实了基于双层异质结构制备自旋电子学材料(B_4CN_3/BN 和 B_3CN_4/BN)的可行性。3.基于第一性原理计算,本工作提出了一种稳定的具有蜂窝状果戈美晶格的二维材料,即单层Mg_3C_2体系。这种单层体系在它的能量基态是一种具有反铁磁性质的半导体材料。并且,对该材料进行载流子(电子或者空穴)掺杂,会使得该材料从反铁磁性半导体转变为铁磁性半金属。另外,电子掺杂诱导产生的半金属性质来自于掺杂体系中碳原子的2p__z轨道;而对于空穴掺杂的情况,掺杂体系的半金属性质则来自于碳原子的2p_x和2p_y轨道电子的贡献。该研究提出了一种磁性和电子性质可控的二维材料,它在二维自旋电子学中具有很好的应用前景。4.基于吡咯分子的骨架设计了一种二维有机材料,并根据它的化学组份将其命名为单层C_4N_3H。在它的结构中均匀地分布着埃米级尺寸大小的孔洞。这种体系在自由状态下具有很好的动力学、热力学和机械的稳定性。更重要的是,计算结果表明这种材料是一种二维有机狄拉克材料,它具有各向异性的狄拉克锥和非常高的费米速度(1.1 × 10~6 ms~(-1))。这个费米速度比以往报道的二维有机狄拉克材料的费米速度高一个数量级。在这种体系的能带结构中,狄拉克点位于Γ和K点的连线上,狄拉克态主要来自于体系中碳原子和氮原子的2p_z轨道交迭而形成的扩展的π电子共轭体系的贡献。这一发现打开了寻找更多具有高费米速度的二维有机狄拉克材料的大门。综上所述,本论文借助于晶体结构搜索技术,对部分二维碳基材料体系进行了结构搜索,获得了几种结构稳定的新型二维碳基材料(包括单层B_4CN_3和B_3CN_4体系、双层B_4CN_3/BN和B_3CN_4/BN异质结构、单层Mg_3C_2体系和有机单层C_4N_3H体系)。并利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对它们的电子结构、磁性和力学性能等物理性质进行了较系统而深入地研究,为这些材料在实验上的进一步合成提供了坚实的理论支撑和指导。(本文来源于《南京大学》期刊2018-04-01）
张文妍,高薇,张旭强,李振,吕功煊[8]（2017）在《自旋电子学-光催化产氢交叉学科研究中的测试表征技术进展（英文）》一文中研究指出清洁能源的研究和开发为解决化石燃料的日益枯竭问题带来了希望.氢能燃烧热值高,产物零污染,是理想的清洁能源.利用太阳能,通过光催化反应从水中制取氢气,是一条极有发展前景的制氢途径.然而,太阳能光催化制氢的发展受到许多因素的限制,特别是光电子传输过程中的电子-空穴复合及能量损失导致的电子输运效率低以及高的产氢产氧过电位导致水分解过程的势垒增大.自旋电子学的发展,为太阳能光催化制氢中的这些问题提供了解决之道.通过将自旋电子学的思路及原理应用于太阳能光催化制氢,借助自旋输运及电子隧穿可有效提高电子的输运效率,光电子的自旋极化还可降低产氢产氧过电位并抑制副产物的生成.测试表征技术的发展为揭示自旋电子学-太阳能光催化制氢交叉科学的内秉机理做出了重要贡献.然而,目前尚无相关文籍对此类测试表征技术的发展进行总结和评述.考虑到这些测试表征技术在自旋电子学-太阳能光催化制氢交叉科学研究中的重要作用,对它们进行归纳和总结,评述其发展面临的问题与挑战,探索并合理预测其未来的发展方向.(本文来源于《分析测试技术与仪器》期刊2017年04期）
齐世飞[9]（2017）在《n-p共掺杂两维体系自旋电子学性质研究》一文中研究指出在石墨烯体系中引入自旋轨道耦合可以诱导各种拓扑现象,如量子自旋霍尔效应和量子反常霍尔效应等,这些效应也可以应用到自旋电子学领域。然而由于石墨烯内禀的自旋轨道耦合非常弱,实验上根本观测不到。为此,可以通过一定的方式在石墨烯中引入外在的自旋轨道耦合,如Rashba自旋轨道耦合的引入[1]。之前的一些研究已经证实,想要找到一种在石墨烯中引入较强自旋轨道耦合效应而不显着影响其基本物理性质的方式是非常困难的。受之前n-p共掺杂相关工作的启发[2-4],本文中,我们使用第一性原理计算方法研究了n-p(B/Tl和B/In)共掺杂石墨烯。研究发现, n型和p型掺杂物之间的静电吸引有效的增加了原子的吸附并抑制其团簇化;石墨烯体系π带的Rashba劈裂能可达到130meV;此外, n-p共掺的电荷补偿效应有利于保持石墨烯的特殊物理性质;进一步的电子结构分析表明n型的Tl, p型的B之间的静电相互作用破坏石墨烯的空间反演对称性从而诱导了较强的Rashba型自旋轨道耦合。(本文来源于《第十叁届全国量子化学会议报告集》期刊2017-06-08）
杨金龙[10]（2017）在《自旋电子学材料的计算机模拟与设计》一文中研究指出自旋电子学基于电子自旋进行信息的传递、处理与存储,具有目前传统半导体电子器件无法比拟的优势,例如运行速度更快,集成度更高,耗能更低,因而成为近年来人们研究的热点。然而,自旋电子学应用面临着叁大挑战:自旋的产生和注入,自旋的长程输运,以及自旋的调控和探测。这些问题的解决将主要依赖于设计具有特定性质的自旋电子学材料,包括磁性半导体材料,半金属材料等。另一方面,借助计算机模拟对现有材料或假想材料的性质进行预测,基于预测的性质对材料进行初步筛选,然后进行实验验证,将极大地提高材料设计的效率。在本报告中,我们着眼于通过计算机模拟设计具有特殊功能的新型自旋电子学材料,以及寻找在室温环境下可用的自旋电子学材料,为自旋电子学器件的合成和应用铺平道路。(本文来源于《第十叁届全国量子化学会议报告集》期刊2017-06-08）
自旋电子学论文开题报告
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
新材料的制备以及对材料新物性的发现和调控持续推动着人类科技的进步与发展。回溯过往,每一次重大的科技突破都是以材料的发展作为物质基础条件。长期以来,材料领域的研究采用经验指导实验的模式,研发周期长,成本高,寻找新的研发材料的模式成为当务之急。随着计算资源的丰富,基于第一性原理的计算材料学逐渐成为材料领域的重要组成部分。计算材料可以从基本的物理模型出发,在原子尺度上构建材料性能和电子结构之间的对应关系,实现计算模拟,实验验证的新研究模式。所以,本文从基于密度泛函理论的第一性原理方法出发,对低维自旋电子学材料,电子阴离子化合物材料以及原子晶体进行功能性设计和性质研究,主要包括以下几个方面:自旋电子学材料基于电子自旋,相较于电子电荷,具有响应时间短,可集成密度高,能耗低等优势,是未来信息产业的重要载体。从电子结构来看,自旋电子学材料包括磁性半导体,半金属,狄拉克半金属,双极磁性半导体等。其中,磁性半导体材料在半导体中引入磁性,利用自旋-电荷耦合,为微电子器件增加更多自由度。同时,磁性半导体材料可以兼容于当前的半导体产业,适于规模化集成。基于半金属可以进行自旋过滤,自旋注入等。自旋电子学材料在一些领域已经有所利用,如磁存储等,然而,在信息的传递以及处理方面还面临挑战,如自旋极化效率,自旋动力学以及自旋弛豫,自旋探测。解决这些问题,需要寻找新体系,新模型,新调控方式。结合第一性原理和设计策略,我们提出具备可合成性的低维自旋电子学材料,理论模拟验证其具有特殊电子结构,可以加深对自旋电子学材料的研究和应用。电子阴离子化合物通常具有非平衡的表征电荷,晶体中非局域的电子作为阴离子才可以保持电中性,区别于传统化合物。对于非局域电子,原子核束缚能力较弱,从而形成电子阴离子化合物独特的电子性质。电子阴离子化合物的概念提出较早,在有机体系中得到验证,但由于其化学稳定性差,实验制备和性能表征落后于理论研究。随着无机电子阴离子化合物的合成,基于其特殊性质进行催化方面的研究逐渐引起关注,如合成氨反应。然而,电子阴离子化合物的研究仍然面临诸多问题,可合成体系的晶体结构较为单一,催化应用上反应机理不明,稳定性差等。结合理论设计和电子局域函数等理论表征手段,我们提出新型电子阴离子化合物材料,具有特殊电子性质。基于电子阴离子化合物的强还原性,我们提出一种异质结结构作为酸性环境中氧气还原反应中的电极材料,热力学计算验证催化活性优于金属铂。通过材料设计和催化机理上的研究,可以拓宽对电子阴离子化合物的认识,为实验制备和实际应用提供帮助。原子晶体降维促成了石墨烯的合成,打破了二维晶体无法在有限温度下稳定存在的传统认识。从碳开始,第四主族,第五主族的二维单质逐渐被合成,比如硅烯,黑磷等。最近,实验中在银衬底上成功合成了硼的二维单质。关于二维非金属单质的实验以及理论研究一直是研究的焦点。在这一领域,理论模拟存在更深入,更广泛的研究。基于合成晶体的结构得到电子性质,基于功能的反向设计,基于算法的全局结构搜索,基于分子动力学的生长过程模拟,基于缺陷的性质调控,基于晶界的超硬材料设计,基于不同堆迭方式甚至可实现室温超导等。二维非金属单质为材料的设计和调控了理想的载体,在此基础上,理论模拟,第一性原理方法的应用也是势在必行。本文共分为六章。第一章主要介绍计算材料的“方法论”,即计算量子化学。量子化学以薛定谔方程为基础来描述材料的电子结构。计算先获得分子体系的电子波函数,通过电子波函数进一步计算得到分子性质,但由于多体薛定谔方程中的复杂性,计算量大。密度泛函理论用电子密度取代波函数作为研究的核心物理量,电子密度仅是叁个变量的函数,相对于波函数,处理起来更加方便,多电子体系的计算量得到降低。密度泛函理论自提出以来交换关联势的描述得到一定的进展,以得到更精确基态电子密度描述材料性质。近来,基于密度泛函理论的理论模拟被广泛应用于多达上千原子的体系中,在电磁光热等性质的描述上都由一定的进展。本文工作主要基于密度泛函理论,在本章中我们详细介绍密度泛函理论的发展及应用。第二章主要介绍自旋电子学材料的理论设计和调控机制。从结构设计策略上,主要包括体相剥离得到原子厚度的二维材料,分子自组装得到晶体结构以及化学物理改性得到新型二维材料。从电子结构上,从过渡族金属氢氧化物中得到磁性半导体材料,从一维过渡族金属氢化物中得到半金属,磁性金属等,从二维过渡族金属氢化物中得到具有自旋极化狄拉克材料。结合上述方式,我们构建了一维分子纳米线MH3(M=Sc,Cr,Mn,Co),过渡族金属原子位于中心,通过氢原子桥连在一起,形成周期性的晶体结构,其中CoH3基态为半金属,MnH3通过电荷注入可以实现半金属。晶体配位理论用来可以解释其磁性的来源。分子纳米线具有高磁晶各向异性能,可以抵抗一定程度的热涨落,稳定长程磁序。二维过渡族金属氢化物MH2(M=Mo,W)以二维过渡族金属硫化物作为模板,通过氢元素取代其中的硫族元素得到。以金属原子为中心的八面体构型和叁菱柱构型都可以在一定条件下稳定存在,八面体构型更加稳定。基态计算都为金属,其中八面体构型的MoH2具有长程铁磁序,具有高居里温度和高磁晶各向异性能。从其电子结构中观察到具有自旋极化的狄拉克点,费米速度可达到～106 ms-1。从相应的体相中得到二维过渡族金属氢氧化物MOOH(M=Sc,Cr,Fe),金属原子位于氧原子构成的八面体中心位置,氢原子全部位于同侧的氧原子上。其中CrOOH具有长程铁磁序,其体相为半导体,剥离之后的二维结构也为半导体,杂化泛函得到带隙1.89 eV,居里温度为176K。通过电子结构和配位场理论,Cr3+处于高自旋态,磁晶各向异性能为90 meV。计算发现CrOOH可以通过脱氢实现从铁磁到反铁磁的转变,实现磁性翻转的化学调控。第叁章主要介绍电子阴离子化合物和石墨烯复合材料用于氧还原反应以及一类零维电子阴离子化合物的理论设计。电子阴离子化合物中原子对阴离子电子的弱束缚效应使其本身成为良好的电子供体,和石墨烯组成的复合材料,从电子阴离子化合物向石墨烯的电子转移可以改善其氧还原反应活性,增强对中间产物的吸附,降低热力学势垒。石墨烯良好的电导和防腐蚀性可以对电子阴离子化合物衬底提供保护,材料的循环性能得到保障。这里我们采取了两种电子阴离子化合物作为衬底,具有一维阴离子电子的过渡族金属硅化物Y5Si3以及二维电子气的Ca2N单层。两种电子阴离子化合物都具有低功函,易失电子。石墨烯得到转移的电子,基于电催化模型,石墨烯在氧气分子质子化中热力学势垒下降,催化活性得到增强,在石墨烯与Ca2N单层的复合材料中,质子化势垒低于金属铂表面。基于晶体结构设计,我们提出一类化学配比为M3X(M=K,Ca;X=O,S or N,P)的零维电子阴离子化合物,具有anti-CrI3的晶体构型,阴离子电子位于孔隙中。较多非平衡的表征电荷,具有孔隙的二维构型,较大的结合能,使其成为具可合成性的潜在电子阴离子化合物。低功函可以用于电子供体,其中Ca3P为狄拉克材料。第四章主要介绍基于硼的二维原子晶体以及氧化石墨炔。硼具有多中心电子的特性,成键类型丰富,是研究二维原子晶体的理想载体。硼二维晶体结构的理论研究较早,借助于硼纳米片,研究者对硼的二维晶体结构进行了预测和模拟。其中空位的引入尤为瞩目,空位密度与硼结构稳定性的关联研究是硼二维晶体早期工作的重点。随着基于势能面的结构搜索的发展,寻找全局最优以及衬底受限生长的硼二维晶体取得较大进展。随着硼二维晶体的合成,硼的电子性质和应用逐渐引起关注,但由于硼的缺电子和多中心的特性,目前尚未实现具有带隙的硼二维晶体。借助于硼团簇和不同的成键类型,我们提出可以通过不同单元之间轨道的能级位置差设计具有本征带隙的硼二维晶体结构。引入的硼单元主要基于B12团簇。B12团簇为二十面体,为体相菱形硼中的基本单元,通过不同的组装方式可以形成硼二维晶体。经计算发现,稳定性高于实验合成的硼二维晶体且具有本征的带隙值。电子结构的进一步计算得到硼二维晶体的带边电荷密度布居,导带底和价带顶的位置处于不同的硼原子上,且具有明显的差异。基于二维石墨炔,我们研究了氧在石墨炔上的稳定存在类型,热力学计算表明醚基是氧在石墨炔上的稳定存在基团。从电子结构上,氧化可以加大带隙,从直接带隙变为间接带隙。通过全氧化构型,我们得到C:O=3:1化学配比的二维晶体,其带隙值和能级位置和单层黑磷接近,且其稳定性高于黑磷,可以成为取代黑磷在光催化领域应用的潜在二维材料。第五章介绍了实验合作的离子超级电容器的理论计算工作以及锂硫电池工作。离子超级电容器通过离子快速传输进行充放电循环,是一种具有高容量,高倍率性能的储能器件。其中,离子的迁移速率和电池、电容性质紧密相关,从理论角度来看,离子在材料中的迁移速率是影响离子超级电容器性能高低的重要因素。所以结合实验工作,我们研究了两种材料Li3VO4以及Ti2Nb209中锂离子和钠离子的迁移路径以及迁移能垒。上述工作促进了材料中的固体迁移机制的了解并为设计新的离子超级电容器提供了理论基础。锂硫电池具有较大的容量,较低的成本被研究者所关注,选取合适的电极材料保证锂硫电池的循环稳定性是关键所在,结合实验,我们验证了 Vermiculite具有作为电极材料的潜力。第六章介绍了和实验合作的单原子选择性氢化和C02电催化还原的理论模拟工作。单原子催化可以最大效率的利用原子的催化活性,同时是建立结构-性能关联的合适体系。C02电催化可以建立可持续的能源体系,同时解决温室效应等环境问题。通过计算模拟,我们验证了上述实验的反应机理,为合理设计实验提供了指导帮助。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
自旋电子学论文参考文献
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论文知识图
