[发明专利]一种改善石墨烯纳米器件自旋过滤效应的方法

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种改善石墨烯纳米器件自旋过滤效应的方法，具体地说，涉及一种利用电场和线缺陷改善石墨烯纳米器件自旋过滤效应的方法。

背景技术

自旋电子学是利用电子的自旋自由度来进行信息存储和逻辑运算，从而降低能耗，提高数据处理速度，并提高集成密度。石墨烯因为其高电子迁移率、门压可调性和自旋寿命长的潜力，在自旋电子学领域已经引起了很多的关注。石墨烯由于长的电子平均自由路径和小的自旋-轨道耦合而具有很长的自旋散射时间，以及电子自旋与碳原子核之间的较低的超精细相互作用。石墨烯有可能是在自旋电子学和相关应用领域的一种很有前途的材料，比如自旋量子比特，侧向的自旋阀，自旋过滤器，自旋场效应晶体管等。但对于锯齿形石墨烯纳米带(ZGNR)，其零(窄)带隙限制其在电子学中的应用。虽然已经提出了不少方法来打开石墨烯的带隙，但这些方案面临着如下一些关键挑战：通过化学掺杂和吸附形成的结构，没有足够的稳定性，实验上操纵也非常困难；铁磁金属电极和石墨烯之间的电导失配等问题。然而，如果是完全基于石墨烯材料的自旋电子器件就可以克服以上问题。因此全石墨烯自旋电子器件需要进一步研究。

石墨烯纳米带(GNRs)作为一种低维蜂窝晶格的材料，有可调的电子特性，它不仅依赖于边缘形状、化学掺杂和几何变形，但也受结构性缺陷和外部电/磁场的影响。结构上的缺陷，可能是在生长或加工过程中出现的，会使基于石墨烯的器件的性能变差。然而，这些偏离完美缺陷在某些情况下可能是有用的。如最近Lahiri等人报道，首先用实验实现了扩展的线缺陷存在石墨烯中，线缺陷由八边形和成对五边形的sp2杂化的碳环嵌在一个完美的石墨烯片上组成，表示为558缺陷。他们用扫描隧道显微镜(STM)观察了这个缺陷，是一个一维拓扑缺陷，还指出该缺陷为准一维金属线。GNRs另一个吸引人的特点是，他们的电磁性质可以通过外加电场调节控制。例如，Son等人研究预测，边缘反铁磁性的单层ZGNR在外加横向电场后可由半导体过渡到半金属。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种改善石墨烯纳米器件自旋过滤效应的方法，使用第一原理方法，首先模拟有线缺陷(558缺陷)ZGNR的STM图像，然后研究在外加电场下的线缺陷ZGNRs的自旋相关的特性，通过引入线缺陷和外加横向电场调控自旋ZGNRs的自旋过滤效应，并与无558线缺陷的ZGNRs比较。最后，提出了实现高性能石墨烯自旋过滤器的一种可行的方法。

其具体技术方案为：

一种改善石墨烯纳米器件自旋过滤效应的方法，包括以下步骤：

1)在Ni(111)基板表面上生长石墨烯，当晶格失配时沿位错线就形成一维拓扑结构的558线缺陷；

2)利用电子束刻蚀技术，将石墨烯裁剪成1.5nm宽的条带，并使558线缺陷位于条带的中间位置；

3)沿条带的长度方向在条带的左端和右端分别连接上电极，可以在条带上改变偏压的大小；

4)沿条带的宽度方向加上两个复合栅电极，形成一个垂直于长度方向并在带平面内的外部横向电场，电场强度可通过两个栅电极的电压来调控；

5)测量该系统在不同偏压和不同电场强度下的自旋电流及自旋过滤效率。

优选地，一是保证558线缺陷在石墨烯纳米带的正中间；二是外部横向电场Eext可调，最大值可达5V/nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明设计的石墨烯纳米器件，当外部横向电场Eext＝3.0v/nm时，能在0～0.6V大偏压范围内，其自旋过滤的效率能够稳定达到60％～81％。

附图说明

图1(a)带有线缺陷的ZGNR的超元胞图。深色部分为558缺陷，M1和M2分别对应最接近与次最接近锯齿边缘的模型，M3对应一个线缺陷正位于中心的模型。图1(b)一个ZGNR器件示意图。深色箭头表示在GNR平面内的外部横向电场方向；

图2是带有558缺陷的ZGNR的第一性原理计算的STM图像与模型的重叠；

图3是GNR平面上的自旋极化密度的切面图，图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)分别对应7-ZGNR、M1、M2和M3，黑色圆表示原子位置，图标中的正(负)数字表示多数(少数)自旋密度；