磷原子吸附对硅烯纳米条带的输运特性的调制
磷原子吸附对硅烯纳米条带的输运特性的调制[20200406105906]
摘 要
利用基于密度泛函理论和非平衡格林函数的第一性原理方法, 我们研究了表面吸附磷原子下硅烯纳米条带的线性和非线性输运性质。研究发现吸附磷原子后，硅烯纳米条带可表现非常好的半金属性质。同时，随着电压的增加，我们也发现了弱的负微分电阻现象。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:硅烯纳米条带半金属性质负微分电阻
目 录
第一章 引 言 1
1.1硅烯的概述 1
1.1.1硅烯的发现 1
1.1.2硅烯的制备 1
1.1.3硅烯的结构与性质 2
1.1.5硅烯的研究现状 2
1.2自旋电子学概述 3
第二章 模型的建立和研究方法 5
2.1模型的建立 5
2.2 研究方法 6
第三章 数值结果和讨论 6
3.1完整硅烯纳米条带的输运性质 7
3.2线性下磷吸附对硅烯纳米条带的输运性质 9
3.2在不同偏压下磷吸附对硅烯纳米条带的输运影响 10
结 束 语 13
参考文献 14
致 谢 15
第一章 引 言
1.1硅烯概述
1.1.1硅烯的发现
硅属于元素周期表的IV族元素，在如今社会的自然界和材料学中拥有着很高的地位。但硅与同样处于元素周期表的IV族元素的碳有着很多不同。首先以两者为基础想成的晶体结构就有着很大的区别：碳原子一般以sp2杂化而硅原子一般以sp3杂化。碳原子杂化形成层状的石墨结构，而硅原子杂化形成立方的金刚石结构。一直以来，人们对一个问题很感到好奇：硅是否能够和石墨一样形成层状结构。但直到多年前人们对石墨烯的发现以及随着这么多年来石墨烯的不断发展以及在各个领域做出的巨大贡献。这让人们重新对硅进行了研究。直到2007年Verri等人研究发现硅可以形成单原子层结构[1]，他们并将之命名为硅烯。
1.1.2 硅烯的制备
多年以来，人们一直致力于研究硅烯的制备。但许多年来，一直没有很好的方法能够实现。也曾有人表明以成功制备出硅烯，但通过人们的研究发现，其方法是错误的。然而硅烯的制备有2种方法：一种是热化学方法，其通常是用二硅烷裂解和重排生成硅烯。另一种方法是光化学方法，此种较为简易且可以避免许多热反应中常出的问题。随着这几年的发展，光化学反应越来越得到热门的重视和青睐。
这么多年来，硅烯的狄拉克型电子结构从来没有得到实验的证。面对这一方面的许多研究难题。中国的科学家首先使用分子束外延-低温扫描隧道显微镜/扫描隧道谱对硅烯电子结构进行了研究，取得了很大的成果。为了进一步验证硅烯的Dirac型电子结构，他们自行研制的较低的温（4.2K）扫描隧道显微镜（STM）/扫描隧道谱（STS）系统对硅烯薄膜的电子态进行了更深一步的研究。利用扫描隧道谱观测到了由自由电子散射所形成的准粒子干涉图案(quasi-particle interference pattern)。发现硅烯的布里渊区中含有六个Dirac锥，不同的Dirac锥之间都会有准粒子散射可以发生，甚至发生在一个Dirac锥[2]上的不同点之间（谷内散射）。 前者对应短周期的散射图案，后者对应长周期的电子波图案。实验上同时观察到了两种QPI图案，以此证实了硅烯的Dirac型电子结构。
1.1.3硅烯的结构与性质
硅烯和石墨烯的能带结构[3]非常的相似，两者均为单层二维六角蜂窝状网格结构。这就使得硅烯同样拥有许多类似石墨烯的物理性质，比如相对论的线性色散关系。硅烯中的Si-Si键是通过sp3掺杂控制的,而石墨烯中的C-C 键则是由sp2杂化控制。硅烯结构不同于石墨烯的平面结构，形成一个更大周期的蜂巢结构，它的两个三角形子格在反方向上有稍微偏离，形成一个更大周期的蜂巢结构。硅烯的电子排布有两种状态：一种是单线态，一种是三线态。但硅烯的基态多数是单线态。
通过人们多年来对硅烯的理论研究，已经发现了其许多新奇的特性。比如自旋轨道相互作用所导致的自旋霍尔效应[4]、电动可调能隙[5]。由于硅烯翘曲的结构会使得其硅原子在自旋轨道耦合时使得硅烯的dirac点处打开一个1.55 meV[6]的能隙。这个能隙像对于石墨烯而言要大的多。硅烯有着和石墨烯同样的狄拉克型结构。硅烯是全新的二维拓扑绝缘体，其扶手性的边缘态允许极化的自旋流通过。
1.1.5硅烯的研究现状
硅烯作为新一代的材料，具有非常优异的输运性质，从而使得基于硅烯纳米条带的电子器件有更广阔前景。它已经向人们展示了其许多突出的成果。因此，我们对硅烯未来的发展前景有很大的信心。多年来人们先是通过对硅烯的理论预言，后来通过不断的实验观察和研究发现。让硅烯巨大的应用前景一点一点的展示在人们面前，使得人们产生了极大的兴趣。我们知道硅烯的研究成果不仅给人类社会带来了诸多成就，更为硅烯未来的发展带来了巨大的上升空间。同样，也为将来硅烯的发展道路解除了很多的困难与不便；然而硅烯还具备着许多目前我们尚不能够发现的新的特性，在基础物理研究中也有着很大的用处。硅烯的实验研究工作才刚刚展开不久，仍然还有许多的问题等待我们去做更深一步的研究和探索，坚信在不久的将来，硅烯的研究成果可以和石墨烯相提并论。
1.2自旋电子学概述
自旋电子学是电子学方面的一个新的领域，也称磁电子学。在之前我们学习的微电子中，我们知道通常是不考虑电子自旋这一特性的。但提高信息的存储密度和处理速度，我们必须要考虑到电子自旋的特性，加以研究。所以说自旋电子学是通过一种新兴的方法，根据电子的自旋这一特性操作电子自旋自由度的一门科学，是一种新兴技术。在我们之前学习的过程中，我们都知道电子都带有电荷，而且电子会具有自旋特性。电子自旋这一特性对于通常的半导体和金属而言，自旋向上和自旋向下的电子数量是一样的。在铁磁金属中，电子的能带分别为结构相似的自旋向上和自旋向下的两个子带。因为两个自旋方向相反，动量也相反的电子才能组成库柏对。所以在库柏对中，电子式是成对出现的。知道后来人们通过实验的研究发现了固态器件中存在与电子自旋 有关的电子输运现象。从那以后，开始出现了自旋电子学这一门学术。
这么多年来，在电子自旋电子学上面的研究取得了两个非常有重大意义的突破。一是在1988年对巨磁电阻的发现。二是在1996年的自旋力矩转移的理论预言，主要的一个效应就是巨磁电阻效应（GMR效应）[7]。相比于之前自旋电子学的发展，如今现在的自旋电子学。人们一直都对自旋电子学的两个物理学很敢兴趣。一是首先自旋作为一个动力学变数，但其拥有量子力学固有的量子特性。二是与自旋态相联系的相干时间。我们知道通常在磁性半导体中，自旋向上和自旋向下的载流子浓度相比而言要高。这样就会形成载流子的运动，从而会产生我们所知道的自旋极化电流。然而，自旋极化电流有着许多的方面需要研究，例如自旋极化电流的大与小、存在的时间长与短。这些鱼好多外界因素有关，可以是材料本身的特性，外界的环境，外界的温度和一些外部情况。事实上，在局域地区磁场的变化，在器件的栅极变化其外加的电压或者是通过偏振光。这些都可以控制半导体中的载流子自旋。自旋电子学有着许多的物理研究应用，但其两个重要的物理特性成为了以后自旋电子学这一方面研究的重要基础。
自旋极化这一特性是自旋电子学的主要研究内容。而电子自旋学又是以研发新的电器为主要内容，以这些特性设计为基础的一门学科。目前自旋电子学为物理学，材料学，电子工程学等不同领域的专家提供了一个全新的领域。但是目前自旋电子学的发展还要经历着许多的困难和研究，但是电子的电荷性，已经让人们在半导体芯片上取得了很大的成就。总的来说，自旋电子学目前正处非常关键的发展时期。他的许多应用还等待这我们去探索发现。现如今科学技术发展的突飞猛进以及人们不断的追寻与探索，相信自旋电子学将会给人们带来更多的惊喜与美好。
摘 要
利用基于密度泛函理论和非平衡格林函数的第一性原理方法, 我们研究了表面吸附磷原子下硅烯纳米条带的线性和非线性输运性质。研究发现吸附磷原子后，硅烯纳米条带可表现非常好的半金属性质。同时，随着电压的增加，我们也发现了弱的负微分电阻现象。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:硅烯纳米条带半金属性质负微分电阻
目 录
第一章 引 言 1
1.1硅烯的概述 1
1.1.1硅烯的发现 1
1.1.2硅烯的制备 1
1.1.3硅烯的结构与性质 2
1.1.5硅烯的研究现状 2
1.2自旋电子学概述 3
第二章 模型的建立和研究方法 5
2.1模型的建立 5
2.2 研究方法 6
第三章 数值结果和讨论 6
3.1完整硅烯纳米条带的输运性质 7
3.2线性下磷吸附对硅烯纳米条带的输运性质 9
3.2在不同偏压下磷吸附对硅烯纳米条带的输运影响 10
结 束 语 13
参考文献 14
致 谢 15
第一章 引 言
1.1硅烯概述
1.1.1硅烯的发现
硅属于元素周期表的IV族元素，在如今社会的自然界和材料学中拥有着很高的地位。但硅与同样处于元素周期表的IV族元素的碳有着很多不同。首先以两者为基础想成的晶体结构就有着很大的区别：碳原子一般以sp2杂化而硅原子一般以sp3杂化。碳原子杂化形成层状的石墨结构，而硅原子杂化形成立方的金刚石结构。一直以来，人们对一个问题很感到好奇：硅是否能够和石墨一样形成层状结构。但直到多年前人们对石墨烯的发现以及随着这么多年来石墨烯的不断发展以及在各个领域做出的巨大贡献。这让人们重新对硅进行了研究。直到2007年Verri等人研究发现硅可以形成单原子层结构[1]，他们并将之命名为硅烯。
1.1.2 硅烯的制备
多年以来，人们一直致力于研究硅烯的制备。但许多年来，一直没有很好的方法能够实现。也曾有人表明以成功制备出硅烯，但通过人们的研究发现，其方法是错误的。然而硅烯的制备有2种方法：一种是热化学方法，其通常是用二硅烷裂解和重排生成硅烯。另一种方法是光化学方法，此种较为简易且可以避免许多热反应中常出的问题。随着这几年的发展，光化学反应越来越得到热门的重视和青睐。
这么多年来，硅烯的狄拉克型电子结构从来没有得到实验的证。面对这一方面的许多研究难题。中国的科学家首先使用分子束外延-低温扫描隧道显微镜/扫描隧道谱对硅烯电子结构进行了研究，取得了很大的成果。为了进一步验证硅烯的Dirac型电子结构，他们自行研制的较低的温（4.2K）扫描隧道显微镜（STM）/扫描隧道谱（STS）系统对硅烯薄膜的电子态进行了更深一步的研究。利用扫描隧道谱观测到了由自由电子散射所形成的准粒子干涉图案(quasi-particle interference pattern)。发现硅烯的布里渊区中含有六个Dirac锥，不同的Dirac锥之间都会有准粒子散射可以发生，甚至发生在一个Dirac锥[2]上的不同点之间（谷内散射）。 前者对应短周期的散射图案，后者对应长周期的电子波图案。实验上同时观察到了两种QPI图案，以此证实了硅烯的Dirac型电子结构。
1.1.3硅烯的结构与性质
硅烯和石墨烯的能带结构[3]非常的相似，两者均为单层二维六角蜂窝状网格结构。这就使得硅烯同样拥有许多类似石墨烯的物理性质，比如相对论的线性色散关系。硅烯中的Si-Si键是通过sp3掺杂控制的,而石墨烯中的C-C 键则是由sp2杂化控制。硅烯结构不同于石墨烯的平面结构，形成一个更大周期的蜂巢结构，它的两个三角形子格在反方向上有稍微偏离，形成一个更大周期的蜂巢结构。硅烯的电子排布有两种状态：一种是单线态，一种是三线态。但硅烯的基态多数是单线态。
通过人们多年来对硅烯的理论研究，已经发现了其许多新奇的特性。比如自旋轨道相互作用所导致的自旋霍尔效应[4]、电动可调能隙[5]。由于硅烯翘曲的结构会使得其硅原子在自旋轨道耦合时使得硅烯的dirac点处打开一个1.55 meV[6]的能隙。这个能隙像对于石墨烯而言要大的多。硅烯有着和石墨烯同样的狄拉克型结构。硅烯是全新的二维拓扑绝缘体，其扶手性的边缘态允许极化的自旋流通过。
1.1.5硅烯的研究现状
硅烯作为新一代的材料，具有非常优异的输运性质，从而使得基于硅烯纳米条带的电子器件有更广阔前景。它已经向人们展示了其许多突出的成果。因此，我们对硅烯未来的发展前景有很大的信心。多年来人们先是通过对硅烯的理论预言，后来通过不断的实验观察和研究发现。让硅烯巨大的应用前景一点一点的展示在人们面前，使得人们产生了极大的兴趣。我们知道硅烯的研究成果不仅给人类社会带来了诸多成就，更为硅烯未来的发展带来了巨大的上升空间。同样，也为将来硅烯的发展道路解除了很多的困难与不便；然而硅烯还具备着许多目前我们尚不能够发现的新的特性，在基础物理研究中也有着很大的用处。硅烯的实验研究工作才刚刚展开不久，仍然还有许多的问题等待我们去做更深一步的研究和探索，坚信在不久的将来，硅烯的研究成果可以和石墨烯相提并论。
1.2自旋电子学概述
自旋电子学是电子学方面的一个新的领域，也称磁电子学。在之前我们学习的微电子中，我们知道通常是不考虑电子自旋这一特性的。但提高信息的存储密度和处理速度，我们必须要考虑到电子自旋的特性，加以研究。所以说自旋电子学是通过一种新兴的方法，根据电子的自旋这一特性操作电子自旋
这么多年来，在电子自旋电子学上面的研究取得了两个非常有重大意义的突破。一是在1988年对巨磁电阻的发现。二是在1996年的自旋力矩转移的理论预言，主要的一个效应就是巨磁电阻效应（GMR效应）[7]。相比于之前自旋电子学的发展，如今现在的自旋电子学。人们一直都对自旋电子学的两个物理学很敢兴趣。一是首先自旋作为一个动力学变数，但其拥有量子力学固有的量子特性。二是与自旋态相联系的相干时间。我们知道通常在磁性半导体中，自旋向上和自旋向下的载流子浓度相比而言要高。这样就会形成载流子的运动，从而会产生我们所知道的自旋极化电流。然而，自旋极化电流有着许多的方面需要研究，例如自旋极化电流的大与小、存在的时间长与短。这些鱼好多外界因素有关，可以是材料本身的特性，外界的环境，外界的温度和一些外部情况。事实上，在局域地区磁场的变化，在器件的栅极变化其外加的电压或者是通过偏振光。这些都可以控制半导体中的载流子自旋。自旋电子学有着许多的物理研究应用，但其两个重要的物理特性成为了以后自旋电子学这一方面研究的重要基础。
自旋极化这一特性是自旋电子学的主要研究内容。而电子自旋学又是以研发新的电器为主要内容，以这些特性设计为基础的一门学科。目前自旋电子学为物理学，材料学，电子工程学等不同领域的专家提供了一个全新的领域。但是目前自旋电子学的发展还要经历着许多的困难和研究，但是电子的电荷性，已经让人们在半导体芯片上取得了很大的成就。总的来说，自旋电子学目前正处非常关键的发展时期。他的许多应用还等待这我们去探索发现。现如今科学技术发展的突飞猛进以及人们不断的追寻与探索，相信自旋电子学将会给人们带来更多的惊喜与美好。
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