基于bn纳米片设计的自旋电子器件【字数：9493】
摘 要本文基于氮化硼的性质和特点，构建BN纳米片模型，单层氮化硼纳米材料的原子排列方式与石墨烯基本相同，由于硼、氮两原子之间会出现电荷转移，所以这两种材料的电子特性会有较大的不同。我们运用第一性原理计算软件ATK对它进行优化发现，和对应的石墨烯纳米片不一样的是，在氮化硼纳米片费米能级附近出现的零能态不是完全被电子所占据，就是全为空的，这种状态则体现了自旋简并的一部分特点。我们可以对氮化硼纳米片进行空穴掺杂，以此可以方便的来调控零能态被电子占据的情况，进而更好地控制氮化硼纳米片的自旋。可以研究氮化硼纳米片中的氮、硼两元素缺陷的电子结构以及磁性，发现B缺陷的BN纳米片具有较强的自旋半金属特性，在自旋电子器件方面有着比较好的潜在应用价值。
目 录
1.绪论 1
1.1 纳米材料 1
1.1.1基本介绍 1
1.1.2 纳米材料的特性 2
1.1.3 石墨烯 2
1.2 BN纳米材料 3
1.2.1 BN材料的晶体结构 3
1.2.2 BN纳米材料的结构 4
1.2.3 BN纳米材料的制备 5
1.3自旋电子器件 6
1.3.1 自旋电子学 6
1.3.2自旋电子器件的优点 6
1.3.3自旋电子学及器件的研究方向 6
2.理论和方法 8
2.1非平衡格林函数 8
2.2密度泛函理论 8
2.3 ATK 8
3.基于BN纳米片自旋电子器件的输运性能 9
3.1 计算方法和模型 9
3.2 结果和分析 10
3.3 小结 13
结束语 14
参考文献 15
致谢 16
1.绪论
本课题的目的在于设计一种新型的基于BN纳米片的自旋电子器件。意义在于通过基于BN纳米片设计的新型自旋电子器件，可以获得其潜在的输运特性，由此可以进一步探讨研究新型自旋电子器件的潜在应用价值。
本课题采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，拟设计一种新型的基于BN纳米片的自旋电子器件，并且对其输运性能和潜在应用价值 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
展开研究。其主要探究思路如下：1.构建BN纳米片模型，利用第一性原理计算软件ATK对其进行优化。2.运用非平衡格林函数解决电子运输问题。3.基于所构建的BN纳米片设计自旋电子器件。4.利用所得的结果来探讨其可能存在的潜在应用。
本课题希望基于BN纳米片表现出的一定的独特的电子性质，例如能带结构和相应的态密度图，以及磁矩等电子特性，来设计一种新型的自旋电子器件，使其获得输运性，开发出自旋电子器件更多潜在的应用价值。
1.1 纳米材料
1.1.1基本介绍
纳米材料指的是在三维空间当中至少是有一维处在纳米尺度的范围内。与很多一般的材料来比，纳米材料具有更多的特殊性质。纳米材料是一种由纳米粒子所组成的新一代的材料，纳米粒子在尺寸上处于原子、分子和宏观体系之间。正常来说，小于0.1微米的细小微粒的物理及化学性质会产生明显的变化（注1厘米=1*104微米，1微米=1*103纳米，1纳米=10埃），0.1微米也就是100纳米以下。所以这样来说，颗粒尺寸在1100纳米的微粒称为超微粒材料，也可以说是一种纳米材料。
图1.1 纳米材料
纳米材料具有它自身的特殊性，当它的尺寸非常小，到达一定程度的时候，我们就不能用传统力学去研究它了，而是要用量子力学来阐述它的行为。当微粒粒子的尺寸小到10纳米时，虽然在尺寸上只改变了一千倍，但是把它换算成体积时就有十的九次方倍大，所以这两者的行为上面就将会产生十分明显的差异。
1.1.2 纳米材料的特性
纳米材料的特性有很多，小尺寸效应便是其中之一，以传导电子的德布罗意波长作为参考，纳米晶粒的尺寸和它相似或比它还小的时候，就会破坏周期性的边界条件，这样会造成它的一些性质发生变化，比如说磁性、催化性、化学活性、内压和熔点等，和普通粒子相比较来说，变化都是非常大的。例如银的熔点大概是900°C左右，但是纳米银粉的熔点只有100°C。这样看来的话，可以说一般纳米材料的熔点就会变成之前块状材料的百分之三十到五十。
在纳米材料的众多特性当中，表面效应也是不可忽略的一个。当纳米晶粒的尺寸变小后，纳米晶粒表面的原子数和总原子数的比值会大幅增大，导致性质产生变化。这种变化会使得其表面热、表面能及表面结合能都会急剧增大，这样的纳米材料就会表现出极高的活性。
量子尺寸效应也是纳米材料重要的特性之一，当纳米材料颗粒在一定的条件下被缩小到一定数值，在费米能级附近的电子能级，就会受到一定影响由准连续能级变为分立能级，与此同时在费米能级附近的电子能级会吸收光谱阈值来向短波方向去移动。在以上过程中，纳米材料可以获得特异性催化、高度光学非线性和光催化性、还原性和强氧化性。
众所周知，纳米材料对光有着强烈的吸收能力，纳米材料不仅可以吸收大量紫外线，而且对于红外线，纳米材料也具有很强的吸收特性，这就是纳米材料在低温环境下具有的一个特性—超顺磁性。同时纳米材料在高温环境下也具有很多特性，比如说高强、高韧、优良稳定性等，所以在目前的大环境下纳米材料的应用前景非常广阔，因此纳米材料也被称为跨世纪的高科技新材料。
1.1.3 石墨烯
二维材料是一种特殊材料，在这种材料中，电子仅仅可以在两个维度的非纳米尺度上进行自由运动。二维纳米材料是在2004年石墨烯发现后而随之诞生的。在这之后，更多的新类型二维材料相继被科学家们发现并研究出了制备的方法。在这些新型材料之中，有一些材料在某些方面拥有独特而优异的能力，比如在力，电，磁还有光等方面，它们的独特性质引发了科学家们的好奇，科学家们开始对其进行了各种各样的研究。
2004年，曼彻斯特大学的Geim小组成功的利用剥离法分离出了石墨烯,这是碳的二维石墨材料，这种新型材料的研制，完全打破了人们的认知，在这之前，人们认为二维材料在有限的温度条件下是不可能稳定的存在的。这一科学发现当时就引起了全世界的关注，在全世界范围产生了轰动，从此以后越来越多的科学家开始对二维材料进行研究。石墨烯与其他普通的体相材料有许多的不同，其中最大的区别就是石墨烯是单原子厚度的，这也是石墨烯拥有相对来说更大的表面积的原因。在科学家们对石墨烯进行了各种各样的研究实验之后发现，石墨烯的带隙是半金属的，这使它具有超级高的载流子迁移率以及极大的面内刚度，而石墨烯的这种性质表明石墨烯可以用于下一代电子器件。过了没多久，一些科研人员发现了很多其他二维纳米二维纳米单层，这些新型的材料相继被科学家们发现并研制出来。在这些新的材料中，科学家们进行了各种各样的实验研究，并且慢慢的发现了许多丰富的性质在这些材料上体现。相信随着世界各地的科学家的不断研究，这些拥有各种各样性质的材料能够推动现代科学技术的快速发展，进而促进整个社会的发展与进步。
目 录
1.绪论 1
1.1 纳米材料 1
1.1.1基本介绍 1
1.1.2 纳米材料的特性 2
1.1.3 石墨烯 2
1.2 BN纳米材料 3
1.2.1 BN材料的晶体结构 3
1.2.2 BN纳米材料的结构 4
1.2.3 BN纳米材料的制备 5
1.3自旋电子器件 6
1.3.1 自旋电子学 6
1.3.2自旋电子器件的优点 6
1.3.3自旋电子学及器件的研究方向 6
2.理论和方法 8
2.1非平衡格林函数 8
2.2密度泛函理论 8
2.3 ATK 8
3.基于BN纳米片自旋电子器件的输运性能 9
3.1 计算方法和模型 9
3.2 结果和分析 10
3.3 小结 13
结束语 14
参考文献 15
致谢 16
1.绪论
本课题的目的在于设计一种新型的基于BN纳米片的自旋电子器件。意义在于通过基于BN纳米片设计的新型自旋电子器件，可以获得其潜在的输运特性，由此可以进一步探讨研究新型自旋电子器件的潜在应用价值。
本课题采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，拟设计一种新型的基于BN纳米片的自旋电子器件，并且对其输运性能和潜在应用价值 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
展开研究。其主要探究思路如下：1.构建BN纳米片模型，利用第一性原理计算软件ATK对其进行优化。2.运用非平衡格林函数解决电子运输问题。3.基于所构建的BN纳米片设计自旋电子器件。4.利用所得的结果来探讨其可能存在的潜在应用。
本课题希望基于BN纳米片表现出的一定的独特的电子性质，例如能带结构和相应的态密度图，以及磁矩等电子特性，来设计一种新型的自旋电子器件，使其获得输运性，开发出自旋电子器件更多潜在的应用价值。
1.1 纳米材料
1.1.1基本介绍
纳米材料指的是在三维空间当中至少是有一维处在纳米尺度的范围内。与很多一般的材料来比，纳米材料具有更多的特殊性质。纳米材料是一种由纳米粒子所组成的新一代的材料，纳米粒子在尺寸上处于原子、分子和宏观体系之间。正常来说，小于0.1微米的细小微粒的物理及化学性质会产生明显的变化（注1厘米=1*104微米，1微米=1*103纳米，1纳米=10埃），0.1微米也就是100纳米以下。所以这样来说，颗粒尺寸在1100纳米的微粒称为超微粒材料，也可以说是一种纳米材料。
图1.1 纳米材料
纳米材料具有它自身的特殊性，当它的尺寸非常小，到达一定程度的时候，我们就不能用传统力学去研究它了，而是要用量子力学来阐述它的行为。当微粒粒子的尺寸小到10纳米时，虽然在尺寸上只改变了一千倍，但是把它换算成体积时就有十的九次方倍大，所以这两者的行为上面就将会产生十分明显的差异。
1.1.2 纳米材料的特性
纳米材料的特性有很多，小尺寸效应便是其中之一，以传导电子的德布罗意波长作为参考，纳米晶粒的尺寸和它相似或比它还小的时候，就会破坏周期性的边界条件，这样会造成它的一些性质发生变化，比如说磁性、催化性、化学活性、内压和熔点等，和普通粒子相比较来说，变化都是非常大的。例如银的熔点大概是900°C左右，但是纳米银粉的熔点只有100°C。这样看来的话，可以说一般纳米材料的熔点就会变成之前块状材料的百分之三十到五十。
在纳米材料的众多特性当中，表面效应也是不可忽略的一个。当纳米晶粒的尺寸变小后，纳米晶粒表面的原子数和总原子数的比值会大幅增大，导致性质产生变化。这种变化会使得其表面热、表面能及表面结合能都会急剧增大，这样的纳米材料就会表现出极高的活性。
量子尺寸效应也是纳米材料重要的特性之一，当纳米材料颗粒在一定的条件下被缩小到一定数值，在费米能级附近的电子能级，就会受到一定影响由准连续能级变为分立能级，与此同时在费米能级附近的电子能级会吸收光谱阈值来向短波方向去移动。在以上过程中，纳米材料可以获得特异性催化、高度光学非线性和光催化性、还原性和强氧化性。
众所周知，纳米材料对光有着强烈的吸收能力，纳米材料不仅可以吸收大量紫外线，而且对于红外线，纳米材料也具有很强的吸收特性，这就是纳米材料在低温环境下具有的一个特性—超顺磁性。同时纳米材料在高温环境下也具有很多特性，比如说高强、高韧、优良稳定性等，所以在目前的大环境下纳米材料的应用前景非常广阔，因此纳米材料也被称为跨世纪的高科技新材料。
1.1.3 石墨烯
二维材料是一种特殊材料，在这种材料中，电子仅仅可以在两个维度的非纳米尺度上进行自由运动。二维纳米材料是在2004年石墨烯发现后而随之诞生的。在这之后，更多的新类型二维材料相继被科学家们发现并研究出了制备的方法。在这些新型材料之中，有一些材料在某些方面拥有独特而优异的能力，比如在力，电，磁还有光等方面，它们的独特性质引发了科学家们的好奇，科学家们开始对其进行了各种各样的研究。
2004年，曼彻斯特大学的Geim小组成功的利用剥离法分离出了石墨烯,这是碳的二维石墨材料，这种新型材料的研制，完全打破了人们的认知，在这之前，人们认为二维材料在有限的温度条件下是不可能稳定的存在的。这一科学发现当时就引起了全世界的关注，在全世界范围产生了轰动，从此以后越来越多的科学家开始对二维材料进行研究。石墨烯与其他普通的体相材料有许多的不同，其中最大的区别就是石墨烯是单原子厚度的，这也是石墨烯拥有相对来说更大的表面积的原因。在科学家们对石墨烯进行了各种各样的研究实验之后发现，石墨烯的带隙是半金属的，这使它具有超级高的载流子迁移率以及极大的面内刚度，而石墨烯的这种性质表明石墨烯可以用于下一代电子器件。过了没多久，一些科研人员发现了很多其他二维纳米二维纳米单层，这些新型的材料相继被科学家们发现并研制出来。在这些新的材料中，科学家们进行了各种各样的实验研究，并且慢慢的发现了许多丰富的性质在这些材料上体现。相信随着世界各地的科学家的不断研究，这些拥有各种各样性质的材料能够推动现代科学技术的快速发展，进而促进整个社会的发展与进步。
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