基于二维碳材料自旋电子学和热自旋电子学器件设计和的研究

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1、分类号学号D200977025学校代码10487密级博士学位论文基于二维碳材料的自旋电子学和热自旋电子学器件的设计与研究学位申请人：倪昀学科专业：凝聚态物理指导教师：姚凯伦教授答辩日期：2013年5月ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinScienceTheTransportPropertiesofTwoDimensionalCarbonMaterialsandSpintronic/SpinCalorit

2、ronicDeviceDesignPh.D.Candidate:YunNiMajor:CondensedMatterPhysicsSupervisor:Prof.Kai-LunYaoHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan430074,P.R.ChinaMay,2013独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式

3、标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于保密□，在▁▁▁年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要“碳”是一种

4、非常奇妙的元素，它有三种不同的杂化态，可以组成不同的物质，拥有截然不同的性质。虽然天然存在的碳的同素异形体只有两种：金刚石和石墨，但是更多的碳的同素异形体已被成功合成，比如富勒烯、碳纳米管和石墨烯。自从2004年石墨烯被成功制备以来，石墨烯材料就以其卓越的电学性质吸引了人们广泛的关注，并得到迅速的发展。众多研究结果表明，石墨烯有可能取代硅成为新一代电子学器件的主要原材料。目前，许多基于石墨烯材料的电子学和自旋电子学器件在理论研究和实验制备中都已成功被实现，包括石墨烯场效应管、二极管、自旋过滤器、自旋阀以及巨磁阻等等。前不久，有报道称，一种新型的碳的同

5、素异形体——石墨炔拥有与石墨烯同样优秀甚至更好的电学性质，并且这种新的二维石墨结构家族中的重要成员——石墨二炔已经被中国科学家成功合成。因此我们的研究主要基于这几种石墨的二维结构：石墨烯、石墨炔以及双层石墨烯，设计出性能更好的自旋电子学器件。我们使用的计算方法是非平衡态格林函数结合密度泛函理论的第一性原理方法。热激发自旋电子学是一种反映热与自旋关系的新型电子学，目前关于石墨烯纳米带热自旋电子学器件的报道较少。因此，我们讨论了一种石墨烯异质结中温差与自旋流之间的关系，得到了理想的自旋塞贝克效应，同时指出了热生纯净自旋流的可能性。另外，这种器件在有无外加

6、磁场的情况下，热致电流的差异非常大，产生了热致庞磁阻效应。因此，基于石墨烯纳米带的热激发自旋电子学器件在理论上是能够实现的。对于石墨炔的输运性质，我们选择了两种不同的结构来进行研究：6,6,12型石墨炔和α型石墨炔。我们发现，不同结构的石墨炔，以及不同裁剪方式的纳米带有完全不同的电子性质，有的表现出金属性，有的表现出半导体性。在这些石墨炔纳米带中，我们不仅发现了负微分电阻现象和自旋极化现象，还设计出了基于石墨炔纳米带的二极管、自旋过滤器、自旋场效应管以及热自旋电子学器件等，充分说明石I华中科技大学博士学位论文墨炔也是新型电子学材料的有力竞争者。最后，

7、我们研究了不同堆积方式的双层石墨烯的电子性质，发现不同的堆积方式对双层石墨烯结构和电子能带有不同程度的影响。对zigzag边缘双层石墨烯纳米带层间输运性质的研究中，发现了随偏压变化的自旋极化现象和负微分电阻现象，这些现象对基于双层石墨烯纳米带的自旋电子学器件的发展非常重要。关键词：自旋电子学热激发自旋电子学第一性原理石墨烯磁阻石墨炔自旋塞贝克效应负微分电阻异质结II华中科技大学博士学位论文AbstractCarbon,amarvelouselementonearth,hasmanyuniquepropertiesandmanyallotropessi

8、nceithavethreehybridizationstates.Althoughonlytwonatur