石墨烯纳米结构电子自旋性质的第一性原理研究

摘要

近年来，石墨烯的磁性研究引起了人们的极大关注。不同于一些含d或f壳层电子的元素构成的材料，碳材料通常不呈现磁性，而通过修饰和制造缺陷等方法可以使石墨烯产生磁性。石墨烯中只存在较弱的自旋-轨道耦合，电子自旋传输过程中容易控制，因而它被认为是制造自旋电子器件如自旋场效应晶体管(SFET)的理想材料。
　　本文应用基于密度泛函理论的VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)程序包，采用超原胞方法系统研究了几种石墨烯纳米结构的电子结构和自旋特性，得到了一些比较有意义的结果。
　　1.石墨烯上碳空位团诱导磁性规律
　　研究了不同空位团缺陷对石墨烯电子自旋特性的影响。石墨烯空位诱导磁性依赖于局域的键合环境，缺失奇数个碳(C)原子的空位构型至少存在一个悬挂键，空位处的未配对电子的自旋极化诱导了石墨烯体系的磁性。含空位(单空位除外)石墨烯体系的基态磁矩大小可表示为公式μVn=(Nb-Nm)μB，n是指缺失的C原子数目且n为大于1的整数，Nb代表空位周围断了键的C原子数目，其中，有Nm个C原子两两处于间位(沿六元环间隔一个格点)。该公式揭示了含空位石墨烯体系的基态磁矩和空位团大小及其形状之间的关系，可用于判断含空位石墨烯体系有无磁性并估算磁矩的大小。
　　2.锯齿型石墨烯纳米带的带边耦合及边缘重构对它的影响
　　对于带宽小于26.31A的锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)，在布里渊区的Γ点附近，自旋向上和向下的边缘态能带分别劈裂成两个子带，随着带宽的减小，能带劈裂能值呈指数性增加。边缘态劈裂是由两纳米带带边间的库伦和类RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-like)两种相互作用引起的，后者以纳米带上的π电子为媒介。对于较宽的ZGNR，边缘态不再劈裂，纳米带两边缘之间的耦合可忽略。此外，带边原子磁矩随带宽的增加而增大，当带宽大于26.31A时，磁矩大小不再变化。所以，该宽度即为能保持锯齿型石墨烯纳米带电子自旋性质的最小宽度。边缘5-7重构使ZGNR更加稳定，重构边缘的自旋磁矩消失，纳米带两带边之间的耦合也因类RKKY相互作用的消失而减弱。
　　3.石墨烯纳米带的带间耦合
　　侧向平行的石墨烯纳米带彼此靠近到一定距离时，纳米带间的面内耦合导致边缘态劈裂。对于锯齿型带，耦合源于两纳米带间的库伦相互作用和自旋一自旋相互作用；对于扶手椅型带，耦合仅仅源于带间的库伦相互作用。对于8-ZGNR和14-AGNR，当带间距离分别大于10A和6A时，体系的总能和电子结构都不再随带间距离增大而变化。因此，10A和6A分别为能保持两种纳米带电子性质的最小带间距。此外，沿带方向的带间相对位移仅对存在较强带间耦合的石墨烯带的电子自旋特性有影响。
　　4.硫原子“缝合”的锯齿型石墨烯双带
　　研究了硫(S)原子带边吸附对双层锯齿型石墨烯纳米带的原子结构和电子自旋性质的影响。S原子sp2杂化并和边缘C原子形成共价键，吸附为化学吸附。吸附于两带边缘的S原子将两个同宽度的锯齿型石墨烯纳米带“缝合”起来，形成一个稳定的扁平纳米管，所以S原子起到了一种类似于“粘合剂”的作用。带边S原子sp2杂化和带间范德瓦尔斯(Van der Waals)力的共同作用导致较宽石墨烯双带的中部出现塌缩，纳米带越宽，塌缩越明显。S原子的3p电子和纳米带边缘态作用成键，饱和了原纳米带边缘的悬挂电子，形成新的电子态。
　　空位诱导的磁矩可能会改变自旋电子在石墨烯中的传输，这在石墨烯自旋电子学上有重要的实际意义；能保持石墨烯纳米带电子性质的最小宽度和最小带间距很可能决定了石墨烯基电子器件的微型化程度；S“缝合”锯齿型石墨烯双带的研究为多层石墨烯纳米带的应用提供了理论支持。本文结论对纳米电子学中石墨烯自旋器件的设计制造及器件的微型化具有重要的理论意义。