含有拓扑缺陷的石墨烯中电子输运性质的数值模拟研究

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2004年,物理学家首次在实验室制备出了平面二维晶体石墨烯,并立即在凝聚态物理学界引起了一股研究浪潮。这是由于石墨烯具有独特的几何结构和令人惊讶的物理、化学性质,在未来的材料科学、电子学和纳米技术等领域有着非常巨大的潜在用途。  由于纯净的石墨烯是能带隙为零的半金属,这给操纵石墨烯电子带来了很大的困难,限制了它在纳米电子器件领域的应用。要想让石墨烯取代硅等传统半导体的地位,我们需要在石墨烯上人为制造出能带隙来。在石墨烯中引入缺陷是一种常用的方法,除了产生能带隙外,石墨烯中的缺陷还会对电子输运性质带来其他方面的影响,例如改变电子波包运动的方向,对电子的valley自由度进行过滤等。  在衬底上进行外延生长是生产大尺寸石墨烯的首选方法,由于衬底的不完整性和生长过程中的动力学因素,生产出来的石墨烯必定是多晶材料,里面总会存在各种缺陷和晶界。目前,实验上已经观测到晶界和五-八边形线缺陷的存在,因此,从理论上研究它们对于石墨烯电子结构和输运性质的影响具有重要的基础研究意义和潜在的应用价值。本文中我们基于紧束缚近似哈密顿模型和波包动力学数值模拟方法(KPM方法),在实空间模拟研究了多晶石墨烯材料中,电子穿越石墨烯中晶界或线缺陷的输运特性。  我们首先研究含有(3,3)|(5,0)晶界的石墨烯中的电子输运性质;波包动力学的模拟结果表明这种晶界能够产生能带隙。当电子波包以接近90°入射时,能带隙宽度最小(约为1eV);而当垂直入射时,能带隙宽度最大(约为2eV)。更重要的是在某些条件下(尤其当电子能量比较高时),发现存在电子波包的负反射和负折射等有趣的反常现象。  然后我们探讨含有(2,1)|(2,1)晶界的情况。模拟结果表明这种晶界不会产生能带隙。由于晶界两边石墨烯的布里渊区是相互对称的,导致反射波和透射波总是成对出现,相应的反射角度和透射角度是相等的。  最后我们在含有线缺陷的石墨烯中的电子输运特性,着重探讨线缺陷对于电子Valley赝自旋的滤波特性。模拟结果表明线缺陷对于电子valley赝自旋具有半透性,电子的透射率与入射角度和能量都有关;在某个临界角度θc,透射率出现峰值,当入射角|θ|大于|θc|时,透射率将急剧地降为0,这是由于透射率能量关系中的非线性项所造成的。最后,我们的数值模拟结果进一步地证明了石墨烯线缺陷未来作为valley赝自旋滤波器件的实用可能性。
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