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镍/黑磷/镍隧道结的电输运及光电流的理论研究

陈明艳  
【摘要】:电子材料和器件是当代信息技术的基础,随着自旋电子学的发展以及对新型器件产品的需求不断提升,集成电路的发展呈现出两个显著的趋势:一方面,集成电路的尺寸越来越小,继在十年前进入纳米尺度之后(100纳米),在近期已达到10纳米以下的技术水平;另一方面,一些新材料,如石墨烯、碳纳米管等已可应用于集成电路中,显示了其在纳米器件领域的应用潜力。研究这些低维纳米材料的性质对开发纳米电子学器件是至关重要的。2014年新的二维材料黑磷被制备出来。相比于石墨烯,黑磷具有直接带隙,也拥有比二维过渡金属硫化合物更高的迁移率,因此引发了广泛的研究工作。本文对镍/黑磷/镍隧道结的自旋电子输运及光电流性质进行第一性原理计算研究,为基于黑磷的自旋电子学器件提供理论参考。具体的章节结构和主要研究内容如下:第一章介绍黑磷的研究进展及值得进一步研究的问题。第二章主要介绍本论文研究所采用的基于密度泛函理论结合非平衡态格林函数的量化输运方法。第三章研究了两种界面的镍/黑磷/镍隧道结在非平衡态下的自旋极化的电输运性质。研究结果表明:(1)在0~70m V偏压范围内,Ni(100)界面的镍/黑磷/镍隧道结具有稳定的隧穿磁阻和高的电流自旋注入率,其中隧穿磁阻约为40%,对于自旋平行结构,自旋注入率约为60%。(2)Ni(100)界面的镍/黑磷/镍隧道结要比Ni(111)界面的隧道结具有更好的自旋极化输运特性,这表明隧道结的界面结构对体系的隧穿磁阻、自旋注入率有重要影响。第四章研究拉伸及弯曲应变下的Ni(100)界面的镍/黑磷/镍隧道结在平衡态下的自旋极化的电输运性质。结果表明:(1)在拉伸应变范围内即0~15%,隧穿磁阻会明显提高,当应变为10%时,达到最大值107%。对于自旋平行结构,自旋注入率从8%提升到了43%。(2)随着弯曲度增加,隧穿磁阻单调增加,从7%提升到50%。对于自旋平行结构,自旋注入率随弯曲度单调增加,保持在70%左右。第五章,研究了在线偏振光及椭圆偏振光照射下,Ni(111)界面的镍/黑磷/镍隧道结在偏压下的自旋输运性质。研究结果表明:(1)在0.03~0.1V偏压区间,偏振角度在30°、150°左右,有较大的隧穿磁阻30~50%。(2)对于自旋反平行结构,当偏压在0.03~0.1V区间,偏振角度在45°至135°之间,具有高于60%的自旋注入率。偏压为0.08V时,自旋注入率达到99%。对于自旋平行结构,自旋注入率比反平行结构的要小,当偏压在0.03~0.1V区间,偏振角度为30°及150°左右时,具有相对较高的自旋注入率。(3)对于反平行结构,自旋流基本不随偏压变化,电荷流随偏压变化逐渐增大。偏振角度为90°,偏压为0V时,电荷流为0,自旋流最大为0.33,说明出现了纯的自旋流。第六章,总结了本论文的研究工作,并对后续工作进行了展望。


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