石墨烯分子器件中輸運(yùn)性質(zhì)的研究

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

引言

由于傳統(tǒng)電子器件受限于尺寸等原因很難再進(jìn)一步，于是科研人員開始尋找新的可以替代傳統(tǒng)器件的新型器件。1974年，Aviram和Ratner提出了第一個(gè)有關(guān)分子器件的理論并在論文中對(duì)分子整流器的原理做出了構(gòu)想[1]。隨后美國(guó)科學(xué)家Moodera等人提出了自旋過濾理論。人們發(fā)現(xiàn)分子器件除了具有傳統(tǒng)電子器件的功能，還具有一系列和自旋相關(guān)的獨(dú)特性質(zhì)，如：自旋過濾[2]、自旋負(fù)微分電阻效應(yīng)等。本文主要研究了一種石墨烯分子器件的輸運(yùn)性質(zhì)。

一、模型簡(jiǎn)介和計(jì)算方法

圖1基于鋸齒型石墨烯電極的石墨烯分子器件W1模型示意圖(白色原子為氫原子，灰色為碳原子，紅色為氧原子)

二、數(shù)據(jù)分析和討論

對(duì)于W1分子器件，我們首先計(jì)算了它分別在P狀態(tài)和AP狀態(tài)下時(shí)正向偏壓和反向偏壓的自旋電流。接下來我們分析分子器件是否還具有自旋過濾和自旋NDR效應(yīng)，首先我們先看圖2(a)，當(dāng)W1器件在P狀態(tài)下施加正向偏壓時(shí)，我們?cè)趫D上可以看到對(duì)于自旋向下和自旋向上的電子均有自旋電流，其中自旋向下的電流隨著偏壓的逐漸增大在不斷的增大，而自旋向上的電流則會(huì)先隨著偏壓的增大而增大，當(dāng)偏壓Vb=0.4時(shí)電流達(dá)到最大值，如果達(dá)到最大值后繼續(xù)增大偏壓則電流就會(huì)開始減小，當(dāng)Vb=0.75V時(shí)電流幾乎達(dá)到零的位置，當(dāng)我們施加反向偏壓時(shí)會(huì)觀察到與正向偏壓基本一致的結(jié)果，這說明W2分子器件在P狀態(tài)下對(duì)于自旋向上的電流會(huì)出現(xiàn)NDR效應(yīng)。接下來我們繼續(xù)分析當(dāng)W2分子器件處于AP狀態(tài)時(shí)的輸運(yùn)情況，首先看圖2(b)可以看到當(dāng)給器件施加正向偏壓時(shí)，自旋向上的電流幾乎為零而自旋向下的電流除了一個(gè)小范圍外一直在不斷增大，這說明在正向偏壓時(shí)中心區(qū)對(duì)于自旋向上的電子基本不會(huì)貢獻(xiàn)輸運(yùn)通道，所以自旋向上的電流幾乎為零，但是中心區(qū)卻會(huì)為自旋向下的電子提供輸運(yùn)通道，所以自旋向下的電流不為零，當(dāng)我們給此時(shí)的W2分子器件施加反向偏壓時(shí)可以看到此時(shí)自旋向下的電流幾乎為零，而自旋向上的電流不為零，這說明中心區(qū)在自旋向上的電子輸運(yùn)時(shí)會(huì)貢獻(xiàn)輸運(yùn)通道，而自旋向下的電子輸運(yùn)時(shí)幾乎沒有通道所以會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，同時(shí)我們觀察到自旋向上的電子會(huì)先增大并在Vb=0.6V的位址達(dá)到電流最大值，之后會(huì)在一個(gè)小區(qū)間內(nèi)減小然后再增大，這表示自旋向上的電流存在著自旋負(fù)微分電阻效應(yīng)。

圖2W1分子器件的自旋電流，(a)為P狀態(tài)下的自旋電流，(b)為AP狀態(tài)下的自旋電流

三、結(jié)論

通過對(duì)結(jié)果的分析，我們發(fā)現(xiàn)在W2石墨烯分子器件中當(dāng)P狀態(tài)下兩種自旋電流無法分開，當(dāng)處于AP狀態(tài)下時(shí)，對(duì)于上旋電流和下旋電流都明顯存在著和偏壓方向相關(guān)的自旋極化和自旋負(fù)微分電阻效應(yīng)現(xiàn)象，這說明W2分子器件有著一定的應(yīng)用前景。