低维纳米材料新奇的热自旋和热谷电子输运特性

论文摘要

热自旋电子学作为热电转换领域新兴的一门重要学科,近几十年来成为凝聚态物理研究领域的热门,它由传统的自旋电子学基础上发展起来,将温度梯度考虑进去,探究热与电子的内禀属性自旋以及电荷之间的作用规律和实际应用。作为此研究领域的两个重要内容:自旋塞贝克（Seebeck）效应和热电转换效率,是我们所关注的焦点。本论文前期研究集中在两个方面:一方面,探索产生自旋Seebeck效应的新机制新机理;另一方面,将热自旋输运性质与热电转换效率相结合,探索实现具备高对称性的方向相反流动的自旋流并伴随高的自旋热电优值的新功能磁性纳米材料。我们使用密度泛函理论计算低维纳米材料的电子能带结构和自旋密度,并通过非平衡态格林函数计算纳米器件的热自旋输运性质。与此同时,谷自由度作为电子的一个新的非内禀自由度,同样可以实现信息的编码和数据存储,进而发展了谷电子学。本论文最后一章,我们将温度梯度考虑进去,使用pk?方程和转移矩阵的方法研究了二维纳米材料的谷-自旋极化电流的输运和调控规律。主要研究结果如下:（1）gamma-石墨炔（γ-graphyne）二维纳米片层具有各向异性,我们沿着不同方向的切割,构造了四种锯齿型γ-graphyne纳米带,磁性研究发现这四种结构具有不同的基态特征,既有铁磁性基态也有反铁磁和非磁性基态,γ-graphyne具有的这些特殊的物理特性使其在热自旋电子学领域有着广泛应用前景。通过对不同基态的纳米带同质结器件的热电输运性质研究发现,铁磁性金属γ-graphyne表现出类似于铁磁半导体的输运特性,且温差诱导都产生了具有一定开关温度的方向相反流动的自旋流,即具有开关特性的自旋Seebeck效应。进一步的探讨揭示该现象的产生来源于金属性γ-graphyne特殊的能带结构,即费米面处自旋向上和自旋向下能带的交叉。换言之,费米面处电子与空穴的相互抵消诱导出了净的自旋输运通道,我们将此机制称之为补偿效应。除此之外,我们发现净自旋相关输运通道的对称性决定了金属性γ-graphyne纳米器件热自旋流的对称性,而费米面处自旋能带交叉区域的大小决定了系统开关温度的大小。同时,对于非对称的金属性γ-graphyne系统的热自旋流我们同样可以通过门压进行有效调控,并产生了丰富的热电现象,比如说自旋Seebeck二极管效应、负微分电阻效应、纯自旋流等。（2）为了进一步探索可行性材料,揭示实现自旋Seebeck效应和热自旋过滤效应的新机理,我们构造了几种C替代的锯齿型和扶手椅型Boron-Nitride纳米管构造的同质结器件,探索了C原子替代浓度和螺旋对称性对其电子结构和热自旋输运性质的影响。对于n个C原子替代的分别由40和36个原子数组成的扶手椅型（5,5）BNNT和锯齿型（9,0）BNNT单胞结构,研究结果发现:当n=1时,磁性BNNTs产生对称的自旋向上和自旋向下的电流,诱导形成很好的自旋Seebeck效应;当n≥2时,高的C原子替代螺旋对称性有助于实现优异的自旋塞贝克效应且具有更加对称的热自旋向上和自旋向下的电流,反之,趋向于形成热自旋过滤效应,即C取代的螺旋对称性决定了能带结构的对称性以及自旋Seebeck效应和自旋过滤效应之间的相互转换;除此之外,归功于补偿效应,一些金属性BNNTs也可以形成自旋Seebeck效应或者自旋过滤效应。更重要的是,我们发现沿着纳米管径向不同方向的压缩和拉伸机制也是一种实现和调控两个效应相互转变的有效手段,同时还会诱导产生温度依赖的自旋流反向或者自旋翻转等新奇的热电效应。最后,研究由单个N（B）被C原子替代的（9,0）BNNT构造的PN结还发现了自旋过滤、电荷二极管和自旋Seebeck二极管等效应。我们对于Boron-Nitride磁性纳米管的自旋Seebeck效应探究的理论研究,为热电子学领域的实验研究提供了良好的理论基础,为实现自旋Seebeck效应和其它有趣的热自旋现象提供了很好的候选材料。（3）纳米带和纳米管一直被视为两个很具潜力的材料候选者,为实现具有高的热电转换效率且具备好的自旋Seebeck效应,于是我们系统的研究了纳米带和纳米管热电性质的差异,探索影响热自旋输运和热电转换效率的因素。基于相同C原子数取代的磁性Boron-Nitride纳米带（BNNRs）和纳米管（BNNTs）,我们构造了两款款同质结器件,其中BNNTs可以由BNNRs卷曲得来,为了获取相同的磁性来源,便于后续性质的比较,BNNRs的边缘磁性由氢原子钝化取消,从而构造了第三款器件。我们的理论计算结果显示:尽管磁性纳米管和氢化的纳米带具有类似的自旋半导体性质,但由于边缘散射,氢化后的BNNRs呈现更低的晶格热导从而有利于自旋优值的增大,而纳米管由于其具备独特的螺旋对称性而形成优异的自旋Seebeck效应和更大的且对称性更好的自旋热电动势。然而,当磁性BNNRs边缘的氢原子被消除,系统转变为磁性金属,从而大大抑制了自旋热电动势和自旋Seebeck系数。总而言之,上述三款器件较为系统且对比性的研究结果有利于帮助我们选择可行性的方案来优化低维纳米材料的自旋塞贝克效应和自旋优值,对纳米带和纳米管材料在热自旋电子学领域实际的器件应用提供了一个更深层次的理解。（4）基于IV主族硅烯、锗烯和锡烯纳米带,构造了非磁/铁磁/非磁（NM/FM/NM）系统,并对此三个材料系统的热自旋-谷极化电子的输运性质做了比较系统的对比研究。首先,对输运系数的研究揭示调节NM或者FM区域的占位势能差可以实现不同自旋取向不同能谷输运通道的打开和关闭,导致了谷-自旋极化和过滤效应;其次,通过施加温度梯度实现了谷和自旋Seebeck效应的共存现象;最后,中心散射区的门压调控可以有效实现自旋向上（下）的K（K′）谷或者自旋向下（上）的K（K′）谷四种取向的热谷-自旋极化电流的过滤和筛选,能够单一的实现自旋或谷塞贝克效应。

论文目录

• 华中科技大学博士学位论文创新点概述
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 前言
•   1.2 自旋Seebeck效应及研究进展
•   1.3 自旋流注入及探测
•   1.4 热电性质的优化
•   1.5 谷电子学研究现状
•   1.6 本文主要内容
• 2 金属性γ-graphyne实现自旋Seebeck效应的新机制
•   2.1 γ-graphyne的背景介绍
•   2.2 器件设计和理论计算方法
•   2.3 四种不同zigzag边缘的ZγGNRs的磁性探究
•   2.4 铁磁和反铁磁ZγGNRs的热自旋流输运及调控
•   2.5 本章小结
• 3 磁性纳米管:实现完美自旋Seebeck和自旋过滤效应新平台
•   3.1 Boron-Nitride纳米管的研究背景
•   3.2 磁性（5,5）和（9,0）BNNT同质结器件构建和理论基础
•   3.3 （5,5）和（9,0）BNNT的磁性和热自旋输运特性研究
•   3.4 掺杂浓度对（5,5）和（9,0）BNNT能带结构和热自旋流的影响
•   3.5 纳米管的径向拉伸和压缩机制对热自旋流的调控
•   3.6 基于C替代（9,0）BNNT构造的PN结自旋输运性质研究
•   3.7 本章小结
• 4 磁性Boron-Nitride纳米带和纳米管的热电性质对比研究
•   4.1 研究背景介绍
•   4.2 磁性BNNTs和 BNNRs模型设计和热电系数理论公式
•   4.3 磁性BNNTs和 BNNRs的热自旋输运性质对比研究
•   4.4 磁性BNNTs和 BNNRs的热电系数对比研究
•   4.5 本章总结
• 5 Ⅳ主族单层二维材料的热自旋-谷电子输运性质
•   5.1 研究背景介绍
•   5.2 Ⅳ主族NM/FM/NM结模型构建与理论推导
•   5.3 Ⅳ主族NM/FM/NM结系统的谷-自旋极化
•   5.4 占位势对NM/FM/NM结系统的谷-自旋极化调控
•   5.5 NM/FM/NM结系统谷-自旋Seebeck效应的共存及门压调节
•   5.6 本章总结
• 6 全文总结和展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 下一步工作和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 NM/FM/NM结谷-自旋相关输运系数推导
• 附录2 攻读博士学位期间发表论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴丹丹

导师: 傅华华

关键词: 热自旋电子学,非平衡态格林函数,密度泛函理论,氮化硼纳米管,氮化硼纳米带,石墨炔,热自旋过滤效应,自旋效应,螺旋对称性,补偿效应,压缩拉伸,热电转换效率,自旋优值,谷电子学,谷自旋效应

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 华中科技大学

分类号: O469

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004853

总页数: 119

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