基於石墨烯邊緣態的單量子態操控的理論研究

項目摘要

本申請課題擬針對石墨烯材料特有的邊緣態的操控和探測問題展開理論研究。石墨烯是最近才從實驗上獲得的二維石墨材料，被視為納米電子學的器件載體材料。所謂邊緣態是指依附於石墨烯zigzag型邊界的一種局域化的電子態，普遍存在於各種石墨烯納米結構之中，等價於和傳導電子耦合的量子點。但和普通量子點相比，石墨烯邊緣態更便於製備，而且有電荷、自旋和贗自旋多種自由度來作為信息處理的載體。所以本課題提出的是建立在新材料和新概念之上的單量子態的操控和探測方案。.我們將全面系統地研究石墨烯邊緣態的能級、簡併度、自旋和贗自旋的極化狀態等電子特性隨zigzag邊界尺寸、雜質及外場調製等因素的變化規律。對於包括邊緣態的多種石墨烯介觀結構，計算其電子輸運譜（即：電導-費米能級譜和I-V特性譜），以確定邊緣態上的電子狀態和電子輸運譜的對應關係。從而實現如下研究目的：基於石墨烯邊緣態，建立單量子態操控和探測的新方案。

結題摘要

本受資助課題針對石墨烯中的邊緣態的特性和調控開展了系統的理論研究。重點在於研究石墨烯邊緣態的電子自旋和谷自由度的調控，進而提出設計石墨烯納米電子器件的理論模型。具體地講，本課題主要開展了如下幾項研究工作並取得了相應成果：（1）研究了3d過渡金屬原子摻雜對石墨烯邊緣態磁性的調製，發現鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鎳(Ni)、銅(Cu)或鋅(Zn)在摻雜於zigzag型條帶邊界時可以很好地抑制該邊界的自發磁化，而對另一邊緣的磁性幾乎沒有影響。這種具有單側磁性的條帶可以用來實現自旋極化的電子輸運。（2）研究發現石墨烯邊緣態除依附於zigzag邊緣之外，還可存在於石墨烯線缺陷周圍。石墨烯中存在一種實驗上可控生長的一維線缺陷，它的基本平移單元由兩個五邊環加一個八邊環組成。我們建立了一種跨越線缺陷的波函式連線條件，在此基礎上可以利用Dirac方程解析地研究線缺陷誘導的邊緣態。我們的理論研究發現了兩種邊緣態，一種是相對於線缺陷的奇宇稱邊緣態，它是無色散的平帶，另一種是線性色散的偶宇稱邊緣態。在外加磁場或贗磁場下，這種線缺陷邊緣態進化成谷手征性的量子Hall邊緣態，即其電子傳播方向和其谷自由度互相鎖定。（3）利用這種線缺陷誘導的谷手征性邊緣態，我們發現在石墨烯線缺陷超晶格結構中，在贗磁場下的嵌有線缺陷的石墨烯條帶中，以及嵌有線缺陷的碳納米管中，電子輸運過程中都會表現出谷過濾及谷閥效應。（4）我們系統地研究了嵌有線缺陷的石墨烯吸附3d過渡族原子後其電子性質的各種變化。和普通的石墨烯晶格點相比，線缺陷對從Se到Cu各種3d過渡族原子都具有明顯更強的吸附能力。當線缺陷吸附Co或Fe原子後，電子輸運表現出非常明顯的自旋過濾效應，在0.6V的偏壓下，其自旋極化效率分別達到85%和97%。（5）我們發展了存線上缺陷情況下石墨烯中電子格林函式的解析理論，在此基礎上，可以計算線缺陷周圍的磁性雜質之間的RKKY相互作用。我們發現，即使存線上缺陷，石墨烯中RKKY相互作用特有的R-3衰減規律仍然正確。但是，由於線缺陷誘導的邊緣態的存在，Saremi-Rule不再成立。更為重要的是，線上缺陷周圍的RKKY相互作用比普通石墨烯晶格點之間的RKKY相互作用要大一至兩個數量級。這些效應都是由線缺陷誘導的邊緣態引起的。我們希望這些理論成果能為操控石墨烯中單量子態的實驗研究提供有價值的理論信息

基於石墨烯邊緣態的單量子態操控的理論研究

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