关键词：
石墨烯
MoS2
自旋栅极
四端材料
输运性质
摘要：
利用低维材料设计和开发具有多功能、小体积的新型多端纳米电子器件已成为研究的热点,在二维材料（2D）中引入自旋极化特性更是实现低维纳米电子器件功能多样化的有效手段之一。基于此,本论文设计了一系列具有自旋极化特性的新型四端纳米材料,即采用具有自旋极化特性的钒苯(V_n（Bz）m)纳米线分别与典型的二硫化钼纳米带（MoS2NR）及石墨烯纳米带（GNR）连接构建了一系列MoS2NR基和GNR基四端材料,采用密度泛函理论（DFT）结合非平衡格林函数（NEGF）的方法,对所构建的四端材料的电子结构及自旋输运性质进行了理论研究,主要内容如下:
研究了四端材料的电子结构。将V7（Bz）8纳米线分别以共价键和范德华力的连接方式与MoS2NR和GNR连接,构建了一系列四端材料,研究了不同连接方式及GNR的弯曲曲率对四端材料电子结构的调控作用。研究结果表明V7（Bz）8连接到MoS2NR和GNR上都会对材料的电子结构产生调控作用,V7（Bz）8的极化特性能够改变纳米带自旋向上和自旋向下的电子态,诱导四端材料产生自旋分裂,且自旋向下态具有更小的能隙值。不同连接方式对材料电子结构产生的调控效果有所不同,共价键连接时纳米线与纳米带之间的耦合作用更强,材料产生的自旋分裂更明显。当考虑GNR的弯曲时,发现弯曲曲率和V7（Bz）8的位置都会影响四端材料的自旋分裂程度,V7（Bz）8放置在内凹（endo）位置且GNR弯曲90°时诱导四端材料产生的自旋分裂更明显。
研究了MoS2基四端器件的输运性质。以典型的非磁性半导体材料MoS2NR作为源漏极通道材料,V7（Bz）8纳米线作为栅极通道材料,将上述MoS2NR基四端材料构建成四端器件,对其自旋输运性质进行了系统的研究,讨论了不同偏置电压（VS）和栅极电压（VG）作用下对四端器件输运性质的调控作用。研究结果表明:四端器件的输运性质是由多通道间耦合作用共同决定的,相比共价键连接,范德华力连接时多通道间耦合作用较弱,V7（Bz）8纳米线对自旋输运性质的调控效果弱。VS和VG的协同作用能够诱导产生明显的负微分电阻（NDR）效应和输入/输出电流转换效应。当施加不同VG时,V7（Bz）8通过与MoS2NR自旋向下态的耦合作用实现对MoS2基四端材料自旋输运的调控,共价键连接时自旋极化率最高可达98.0%。以上结果说明通过施加栅压和偏压能够对V7（Bz）8纳米线与MoS2NR构建的四端器件的自旋输运性质进行有效地调控,诱导其产生优异的性质。
研究了GNR基四端器件的输运性质。为了进一步探讨V_n（Bz）m对导电性能更好的非磁性材料自旋输运性质的调控作用,构建了不同连接方式及不同弯曲曲率下GNR基四端器件,并对其自旋输运性质进行了研究。研究结果表明:V_n（Bz）m纳米线能够调控GNR基四端器件的自旋极化输运特性,其输运性质是由VS和VG协同作用决定的,但V_n（Bz）m纳米线不同连接方式产生的调控作用不同。共价键连接时,以V8（Bz）8纳米线作为栅极材料时,通道间耦合作用更强,通过施加VG可以将自旋向下态电流注入石墨烯通道实现对四端器件自旋输运特性的调控,VS会使GNR产生自旋向上态电流来抑制栅极自旋向下通道电流的注入,但当VS和VG协同激发V8（Bz）8纳米线自旋向上态路径后,器件的输运性质就由自旋向上和自旋向下态共同决定,自旋极化率可达60.9%;以GNR为栅极通道材料时,V8（Bz）8纳米线对器件自旋输运特性的调控作用不大。相较之下,范德华力连接时,以V7（Bz）8纳米线为栅极材料,VG对器件的自旋输运特性的调控作用较小,自旋极化率最高仅为2.3%,但考虑应力应变效应时,GNR的弯曲曲率以及V7（Bz）8的位置对材料的输运特性有调控作用。特别地,当V7（Bz）8位于内凹（endo）位置、纳米带90°弯曲时其自旋向下通道对GNR的源-漏电导产生了强烈的扰动,使四端器件出现了较明显的自旋极化输运特性,自旋极化率增加到19.6%。这些结果说明利用具有自旋极化特性的纳米线对石墨烯基四端材料也能够调控其输运性质,特别是对WGNR的调控效果更明显。
利用具有自旋极化特性的V_n（Bz）m纳米线作为栅极连接非磁性纳米带构建的四端材料,不仅可以调控纳米带的电子结构使其产生自旋分裂,还可以通过施加栅极电压和偏置电压来调节其自旋输运特性,具有NDR效应和输入/输出电流转换等优异性能,且MoS2基四端材料的调控效果更明显,为设计和开发多功能、小体积新型多端自旋纳米器件提供了新的策略。
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