一种改善石墨烯纳米器件自旋过滤效应的方法
【专利摘要】本发明公开了一种改善石墨烯纳米器件自旋过滤效应的方法，使用第一原理方法，首先模拟有线缺陷ZGNR的STM图像，然后研究在外加电场下的线缺陷ZGNRs的自旋相关的特性，通过引入线缺陷和外加横向电场调控自旋ZGNRs的自旋过滤效应，并与无558线缺陷的ZGNRs比较。最后，提出了实现高性能石墨烯自旋过滤器的一种可行的方法。
【专利说明】一种改善石墨烯纳米器件自旋过滤效应的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子【技术领域】，涉及一种改善石墨烯纳米器件自旋过滤效应的方法， 具体地说，涉及一种利用电场和线缺陷改善石墨烯纳米器件自旋过滤效应的方法。
【背景技术】
[0002] 自旋电子学是利用电子的自旋自由度来进行信息存储和逻辑运算，从而降低能 耗，提高数据处理速度，并提高集成密度。石墨烯因为其高电子迁移率、门压可调性和自旋 寿命长的潜力，在自旋电子学领域已经引起了很多的关注。石墨烯由于长的电子平均自由 路径和小的自旋-轨道耦合而具有很长的自旋散射时间，以及电子自旋与碳原子核之间的 较低的超精细相互作用。石墨烯有可能是在自旋电子学和相关应用领域的一种很有前途的 材料，比如自旋量子比特，侧向的自旋阀，自旋过滤器，自旋场效应晶体管等。但对于锯齿形 石墨烯纳米带（ZGNR)，其零（窄）带隙限制其在电子学中的应用。虽然已经提出了不少方 法来打开石墨烯的带隙，但这些方案面临着如下一些关键挑战：通过化学掺杂和吸附形成 的结构，没有足够的稳定性，实验上操纵也非常困难；铁磁金属电极和石墨烯之间的电导失 配等问题。然而，如果是完全基于石墨烯材料的自旋电子器件就可以克服以上问题。因此 全石墨烯自旋电子器件需要进一步研究。
[0003] 石墨烯纳米带（GNRs)作为一种低维蜂窝晶格的材料，有可调的电子特性，它不仅 依赖于边缘形状、化学掺杂和几何变形，但也受结构性缺陷和外部电/磁场的影响。结构上 的缺陷，可能是在生长或加工过程中出现的，会使基于石墨烯的器件的性能变差。然而，这 些偏离完美缺陷在某些情况下可能是有用的。如最近Lahiri等人报道，首先用实验实现了 扩展的线缺陷存在石墨烯中，线缺陷由八边形和成对五边形的sp2杂化的碳环嵌在一个完 美的石墨烯片上组成，表示为558缺陷。他们用扫描隧道显微镜（STM)观察了这个缺陷，是 一个一维拓扑缺陷，还指出该缺陷为准一维金属线。GNRs另一个吸引人的特点是，他们的 电磁性质可以通过外加电场调节控制。例如，Son等人研究预测，边缘反铁磁性的单层ZGNR 在外加横向电场后可由半导体过渡到半金属。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种改善石墨烯纳米器件自旋 过滤效应的方法，使用第一原理方法，首先模拟有线缺陷（558缺陷）ZGNR的STM图像，然后 研究在外加电场下的线缺陷ZGNRs的自旋相关的特性，通过引入线缺陷和外加横向电场调 控自旋ZGNRs的自旋过滤效应，并与无558线缺陷的ZGNRs比较。最后，提出了实现高性能 石墨烯自旋过滤器的一种可行的方法。
[0005] 其具体技术方案为：
[0006] -种改善石墨烯纳米器件自旋过滤效应的方法，包括以下步骤：
[0007] 1)在Ni (111)基板表面上生长石墨烯，当晶格失配时沿位错线就形成一维拓扑结 构的558线缺陷；
[0008] 2)利用电子束刻蚀技术，将石墨烯裁剪成1. 5nm宽的条带，并使558线缺陷位于条 带的中间位置；
[0009] 3)沿条带的长度方向在条带的左端和右端分别连接上电极，可以在条带上改变偏 压的大小；
[0010] 4)沿条带的宽度方向加上两个复合栅电极，形成一个垂直于长度方向并在带平面 内的外部横向电场，电场强度可通过两个栅电极的电压来调控；
[0011] 5)测量该系统在不同偏压和不同电场强度下的自旋电流及自旋过滤效率。
[0012] 优选地，一是保证558线缺陷在石墨烯纳米带的正中间；二是外部横向电场Eext 可调，最大值可达5V/nm。
[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明设计的石墨烯纳米器件，当外部横 向电场Eext = 3. Ov/nm时，能在0?0. 6V大偏压范围内，其自旋过滤的效率能够稳定达到 60%?81%。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1 (a)带有线缺陷的ZGNR的超元胞图。深色部分为558缺陷，Ml和M2分别对 应最接近与次最接近锯齿边缘的模型，M3对应一个线缺陷正位于中心的模型。图1(b) - 个ZGNR器件示意图。深色箭头表示在GNR平面内的外部横向电场方向；
[0015] 图2是带有558缺陷的ZGNR的第一性原理计算的STM图像与模型的重叠；
[0016] 图3是GNR平面上的自旋极化密度的切面图，图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d) 分别对应7-ZGNR、Ml、M2和M3,黑色圆表示原子位置，图标中的正（负）数字表示多数（少 数）自旋密度；
[0017] 图4中，图4 (a)和图4 (b)分别显示7-ZGNR系统在横向电场作用下总的伏-安特 性和自旋分辨的伏-安特性，图4(c)和图4(d)分别显示558-defect-7-ZGNR系统在横向 电场作用下总的伏-安特性和自旋分辨的伏-安特性。实线表示多数自旋，虚线表示少数 自旋，在图4(a)和图4(c)中分别给出无缺陷ZGNR和有线缺陷ZGNR系统的器件模型图；
[0018] 图5中，图5(a)和图5(b)自旋过滤效率与外部横向电场和偏压的函数关系，图 5(a)和图5(b)分别对应7-ZGNR系统和558-defect-7-ZGNR系统，图5(c)基于有线缺陷 ZGNR设计的自旋器件的自旋过滤效率和自旋分辨的伏-安特性；
[0019] 图6是设计的自旋器件在不同横向电场Eext下的分子轨道演变，图6 (a)、图6 (b) 和图6(c)分别对应Eext = 2. OV/nm, 3. OV/nm和4. OV/nm，加粗的黑色虚线表示偏压窗口。
【具体实施方式】
[0020] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。
[0021] 1.计算模型与研究方法
[0022] 研究包含558线缺陷ZGNRs的模型，如图1所示，这里宽度上有七个锯齿碳链，记 为558-defect-7-ZGNR，其宽度值约为1.5nm。所有的边缘碳原子用氢原子饱和。弛豫后， 该558-defect-7-ZGNR保持平面结构。考虑了三种不同的元胞研究线缺陷位置的影响。Ml 和M2分别对应最接近与次最接近锯齿边缘的模型，M3对应一个线缺陷位于中心的模型。并 与完好的ZGNR比较。在图1(b)中，左右灰色矩形框包围的两个对称的区域表示两个石墨 电极，提供偏压（Vb)。顶部和底部对称区域表示两个复合的栅电极，通过栅极电压（Vg)提 供外部电场（Eext)。
[0023] 结构优化和电子性质的计算是由基于非平衡格林函数结合密度泛函理论 的AtomistixToolKit工具包来实现。使用局域自旋密度近似（LSDA)和单轨域指数 (single-zeta)极化基组（SZP)。能量和力的收敛标准分别设定为lX10_ 5eV和0.05CV/A。 1(点采样为1\10\100，截止能量为1501^，电子温度固定在3001(。偏压￥ 13下的自旋电流 I。可用Landaucr-BiiUiker公式计算：
[0024]
【权利要求】
1. 一种改善石墨烯纳米器件自旋过滤效应的方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 在Ni (111)基板表面上生长石墨烯，当晶格失配时沿位错线就形成一维拓扑结构的 558线缺陷； 2) 利用电子束刻蚀技术，将石墨烯裁剪成1. 5nm宽的条带，并使558线缺陷位于条带的 中间位置； 3) 沿条带的长度方向在条带的左端和右端分别连接上电极，可以在条带上改变偏压的 大小； 4) 沿条带的宽度方向加上两个复合栅电极，形成一个垂直于长度方向并在带平面内的 外部横向电场，电场强度可通过两个栅电极的电压来调控； 5) 测量该系统在不同偏压和不同电场强度下的自旋电流及自旋过滤效率。
【文档编号】B82Y40/00GK104157785SQ201410369166
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】唐贵平, 黄雅婧 申请人:长沙理工大学