張向華,劉帥杰,田 莉,張 梟,陳凱杰

(湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 湘潭 411104)

如今,“自旋電子學(xué)”成為了一個(gè)熱門(mén)的前沿科技領(lǐng)域,自旋電子學(xué)研究有望帶來(lái)性能更好、能耗更低的新一代電子器件。人們已經(jīng)對(duì)自旋電子管[1]、自旋濾波器[2-3]、自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管[4-5]、自旋二極管[6-7]等自旋電子器件進(jìn)行了不同程度的理論和實(shí)驗(yàn)探索。自旋過(guò)濾器可以在電子輸運(yùn)過(guò)程中允許某一種自旋方向的電子通過(guò),同時(shí)阻止另外一種自旋方向的電子通過(guò),從而獲取自旋極化電流[8]。高效的自旋過(guò)濾器可作為極化電源使用,提供自旋電子注入,并有助于進(jìn)一步設(shè)計(jì)和制作高性能的自旋電子器件。石墨烯因高電子遷移率、長(zhǎng)自旋壽命、門(mén)電壓可調(diào)性,被認(rèn)為是制作下一代自旋納米電子器件的理想材料[9-10]。

目前,可以通過(guò)外加橫向電場(chǎng)或磁場(chǎng)、外加化學(xué)官能團(tuán)修飾、選擇合適的電極材料等方法實(shí)現(xiàn)石墨烯基分子器件的自旋過(guò)濾。如Son 等[11]提出在鋸齒型石墨烯納米帶中外加橫向電場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)自旋過(guò)濾。Kan等[12]通過(guò)在鋸齒型石墨烯納米帶邊緣分別添加化學(xué)官能團(tuán)NH2、NO2和CH3的方法實(shí)現(xiàn)了自旋過(guò)濾。Zeng等[13]通過(guò)改變電極的磁場(chǎng)方向和門(mén)電壓調(diào)控實(shí)現(xiàn)了鋸齒型石墨烯納米帶的自旋過(guò)濾。Zhang 等[14]提出以金為電極,在三角形石墨烯片的兩端對(duì)稱(chēng)連接等長(zhǎng)度的碳原子鏈,可以實(shí)現(xiàn)自旋過(guò)濾。Deng 等[15]通過(guò)在鋸齒形石墨烯納米帶中摻雜鐵實(shí)現(xiàn)了自旋過(guò)濾。Kang等[16]發(fā)現(xiàn)在鋸齒形石墨烯納米帶中引入缺陷,形成兩個(gè)五碳環(huán)可以產(chǎn)生自旋極化,并且自旋極化電流可由外加磁場(chǎng)控制。Movlarooy 等[17]通過(guò)在石墨烯納米帶中摻雜鐵和硼原子,實(shí)現(xiàn)了自旋過(guò)濾。但是外加電場(chǎng)或磁場(chǎng)需要引入的電場(chǎng)閾值較高[18],給實(shí)際操作帶來(lái)不便,且難以實(shí)現(xiàn)元器件的集成化;添加化學(xué)官能團(tuán)在操作上很難控制修飾原子的位置,且添加的其他原子會(huì)極大地影響石墨烯基電子器件的電子輸運(yùn)性能[18-19]。另外對(duì)于以鐵磁材料或金屬作為電極構(gòu)成的非全碳分子電子器件,由于石墨烯與鐵磁材料或金屬電極之間的電子態(tài)耦合非常弱,導(dǎo)致自旋電子注入效率低[20]。因此,實(shí)現(xiàn)無(wú)外加電場(chǎng)或磁場(chǎng)條件下的石墨烯基全碳分子自旋過(guò)濾器成為人們研究的重點(diǎn)。

Wei 等[21]通過(guò)部分裁剪碳納米管制備了石墨烯納米帶/碳納米管(CNR/GNT)復(fù)合一維材料,這種材料表現(xiàn)出非常好的整流效應(yīng)。本文在此石墨烯納米帶/碳納米管(CNR/GNT)復(fù)合一維材料的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了石墨烯納米帶(GNR)/碳納米管(CNT)/石墨烯納米帶(GNR)對(duì)稱(chēng)復(fù)合異質(zhì)結(jié)。由于GNR-CNT-GNR 是對(duì)稱(chēng)的腔體結(jié)構(gòu),相比非對(duì)稱(chēng)CNT-GNR 更容易實(shí)現(xiàn)共振輸運(yùn)。而不同接觸細(xì)節(jié)對(duì)CNT/GNR 復(fù)合異質(zhì)結(jié)的電子輸運(yùn)特性有極大的影響[22]。本文設(shè)計(jì)了具有對(duì)稱(chēng)實(shí)際接觸的GNR/CNT/GNR異質(zhì)結(jié)和具有對(duì)稱(chēng)理想接觸的GNR/CNT/GNR 異質(zhì)結(jié)。研究結(jié)果表明,由于接觸區(qū)結(jié)構(gòu)不同,應(yīng)力不同,具有對(duì)稱(chēng)理想接觸區(qū)的GNR/CNT/GNR 異質(zhì)結(jié)呈金屬性,而具有對(duì)稱(chēng)實(shí)際接觸的GNR/CNT/GNR 異質(zhì)結(jié)具有明顯的共振輸運(yùn)和自旋過(guò)濾的特性。這一研究結(jié)果有助于設(shè)計(jì)高效的全碳分子自旋過(guò)濾器。

1 計(jì)算模型與方法

GNR/CNT/GNR 復(fù)合異質(zhì)結(jié)由具有5 個(gè)原胞長(zhǎng)度的(10,10)扶手椅型碳納米管CNT 對(duì)稱(chēng)端連兩條半無(wú)限長(zhǎng)(4,0)鋸齒形石墨烯納米帶(ZGNR)構(gòu)成。器件分為左電極、中心散射區(qū)和右電極三個(gè)部分。圖1 為GNR/CNT/GNR 復(fù)合異質(zhì)結(jié)器件的結(jié)構(gòu)示意圖。矩形框中的原子為左右電極的表面原子。圖1(a)為兩個(gè)接觸區(qū)均為理想接觸的GNR/CNT/GNR 異質(zhì)結(jié)(IGCG)的正視圖,圖1(b)是I-GCG 的正視圖。一個(gè)理想接觸是只有4 個(gè)C—C 鍵而無(wú)碳原子的接觸結(jié)構(gòu),即碳納米管和石墨烯納米帶通過(guò)4 個(gè)C—C 鍵直接相連。圖1(c)是兩個(gè)接觸區(qū)均為實(shí)際接觸的GNR/CNT/GNR 異質(zhì)結(jié)(R-GCG)的正視圖。一個(gè)實(shí)際接觸是在一個(gè)理想接觸的基礎(chǔ)上多56 個(gè)碳原子。所有GNR/CNT/GNR 器件的邊緣懸掛鍵均用H 飽和。

圖1 GNR/CNT/GNR 復(fù)合異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The geometry of the GNR/CNT/GNR heterojunctions of devices

采用VASP-5.3[23]對(duì)器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,采用PAW 贗勢(shì),平面波的截?cái)嗄転?00 eV,殘余力為0.02 eV/nm,交換關(guān)聯(lián)勢(shì)采用rPBE-GGA[24-25]。電子輸運(yùn)計(jì)算采用從頭算計(jì)算程序包SIESTA-3.2[26],計(jì)算中采用非平衡格林函數(shù)(NEGF)結(jié)合自旋極化的密度泛函理論(DFT)方法,DZP 基組,截?cái)嗄苋?.01 Ry,交換關(guān)聯(lián)勢(shì)仍然采用rPBE-GGA。結(jié)構(gòu)的電流由Landauer-Buttike 公式計(jì)算[27]。文中輸運(yùn)譜的縱軸(Transmission)代表透射系數(shù)T(E,Vb)。T(E,Vb)是體系在Vb偏壓、E能量下的透射系數(shù),表示電子從左電極到右電極的透射幾率。由公式T(E,Vb)=Tr[ΓlGRΓrGA]確定,其中Γl,Γr分別是左右電極散射區(qū)域的耦合函數(shù),GR,GA分別是滯后和超前格林函數(shù)[28]。

2 結(jié)果與討論

I-GCG 和R-GCG 的零偏壓電子輸運(yùn)譜如圖2 所示,為便于觀察,將I-GCG 的電子輸運(yùn)譜整體上移了1 個(gè)單位。I-GCG 在費(fèi)米能處有連續(xù)的輸運(yùn)峰,說(shuō)明電子透射的概率很大,表明I-GCG 呈金屬性。而RGCG 在費(fèi)米能附近的電子輸運(yùn)為零,說(shuō)明其電子透射概率在一定偏壓內(nèi)很低,并存在一個(gè)較寬的能隙,使其呈半導(dǎo)體性。這是因?yàn)槔硐虢佑|是CNT 和GNR 通過(guò)4 個(gè)C—C 鍵直接相連,因此是金屬與金屬直接連接,所以CNT 和GNR 的兩套電子結(jié)構(gòu)能夠很好地緊密耦合,使I-GCG 體系具有和石墨烯一樣高的電子遷移率,呈金屬性,從而在費(fèi)米能級(jí)附近出現(xiàn)連續(xù)的電子輸運(yùn)峰。而具有實(shí)際接觸的R-GCG,在接觸區(qū)CNT 和GNR 具有平滑的接觸結(jié)構(gòu),對(duì)接應(yīng)力小,CNT 和GNR 的兩套電子結(jié)構(gòu)不能很好地耦合,在接觸區(qū)存在很高的勢(shì)壘[29],因此體系呈半導(dǎo)體性。另外,可以看到R-GCG 的零偏壓電子輸運(yùn)圖譜上有明顯的尖銳輸運(yùn)峰,說(shuō)明R-GCG 發(fā)生了共振輸運(yùn)。這是因?yàn)閮蓚€(gè)實(shí)際接觸區(qū)形成的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)接觸勢(shì)壘構(gòu)成一個(gè)共振腔,滿(mǎn)足特定共振能量的電子則可以通過(guò)共振輸運(yùn)的方式通過(guò)有限長(zhǎng)度的碳納米管。

圖2 零偏壓下I-GCG 和R-GCG 的電子輸運(yùn)譜Fig.2 Transmission spectra of I-GCG and R-GCG at 0 V

共振輸運(yùn)有利于產(chǎn)生自旋過(guò)濾效應(yīng)[30],因此計(jì)算了I-GCG 和R-GCG 異質(zhì)結(jié)在鐵磁(FM)基態(tài)零偏壓下的自旋極化輸運(yùn)譜,如圖3 所示。為便于觀察,將I-GCG 的自旋極化輸運(yùn)譜整體上移3 個(gè)單位。圖3 中I-GCG 和R-GCG 兩個(gè)體系的上自旋和下自旋輸運(yùn)譜均不對(duì)稱(chēng),說(shuō)明I-GCG 和R-GCG 都產(chǎn)生了自旋極化輸運(yùn)。I-GCG 的上自旋譜線和下自旋譜線在費(fèi)米能級(jí)處均有連續(xù)的輸運(yùn)峰,表明在零偏壓下,I-GCG 異質(zhì)結(jié)對(duì)上自旋電子和下自旋電子均表現(xiàn)出金屬性。RGCG 的上自旋電子在位于-0.25 eV 處有一個(gè)較強(qiáng)的共振輸運(yùn)峰,而下自旋電子在費(fèi)米能附近有約1.5 eV的能隙。說(shuō)明上自旋電子是產(chǎn)生共振輸運(yùn)的來(lái)源,而下自旋電子在費(fèi)米能附近不能通過(guò)。因此有望實(shí)現(xiàn)高效的自旋過(guò)濾效應(yīng)。

圖3 零偏壓下I-GCG 和R-GCG 在FM 基態(tài)的自旋極化輸運(yùn)譜Fig.3 Spin-polarized transmission spectra of I-GCG and R-GCG at 0 V at FM state

進(jìn)一步計(jì)算了I-GCG 和R-GCG 異質(zhì)結(jié)的自旋電流-電壓關(guān)系曲線與不同偏壓下的自旋極化輸運(yùn)譜,如圖4,圖5 所示?？梢钥吹?I-GCG 和R-GCG 兩個(gè)體系的上自旋電流和下自旋電流均不重合,表明IGCG 和R-GCG 均產(chǎn)生了自旋極化電流,且上自旋電流較強(qiáng)于下自旋電流。I-GCG 的自旋極化電流明顯大于R-GCG 的自旋極化電流,這與圖5 中偏壓窗口內(nèi)輸運(yùn)峰的分布特點(diǎn)相吻合。在零偏壓附近,I-GCG 的上自旋電流和下自旋電流與電壓呈連續(xù)的近似線性關(guān)系,表現(xiàn)出金屬性,這與之前計(jì)算的自旋極化輸運(yùn)譜線的結(jié)果是一致的。R-GCG 的自旋電流-電壓關(guān)系曲線與自旋極化輸運(yùn)譜,正如期望的那樣,自旋向上的體系在偏壓窗口內(nèi)始終存在一個(gè)明顯的輸運(yùn)峰,從而具有明顯的上自旋電流,但自旋向下的體系在偏壓窗口內(nèi)透射系數(shù)都幾乎為0,導(dǎo)致下自旋電流幾乎為0,從而表現(xiàn)出明顯的自旋過(guò)濾效應(yīng)。

圖4 (a) I-GCG 和(b) R-GCG 的自旋電流-電壓特征曲線Fig.4 The spin I-V curves.(a) I-GCG;(b) R-GCG

圖5 I-GCG 和R-GCG 的自旋極化輸運(yùn)譜。豎虛線表示偏壓窗Fig.5 Spin-polarized transmission spectra of I-GCG and R-GCG

為了便于定量描述自旋過(guò)濾程度,選用自旋極化率來(lái)對(duì)兩個(gè)體系的自旋過(guò)濾程度進(jìn)行定量描述。用公式(Iup-Idown)/(Iup+Idown) 表示自旋極化率,經(jīng)計(jì)算可得R-GCG 在偏置電壓為0.3 V 時(shí),自旋極化率可達(dá)到近100%。這與上面計(jì)算的0.3 V 下的自旋極化輸運(yùn)譜圖5(a)相吻合。自旋過(guò)濾產(chǎn)生的原因是,R-GCG的上自旋譜線在費(fèi)米能級(jí)附近有尖銳的共振輸運(yùn)峰,而滿(mǎn)足這一共振能量的上自旋電子可以通過(guò)有限長(zhǎng)度的碳納米管,提供了上自旋電流的來(lái)源。而下自旋電子的輸運(yùn)譜線上,在費(fèi)米能級(jí)附近有一個(gè)較寬的帶隙,在偏壓為-1 V

3 結(jié)論

本文構(gòu)建了一種GNR/CNT/GNR 對(duì)稱(chēng)異質(zhì)結(jié),研究了對(duì)稱(chēng)理想接觸和對(duì)稱(chēng)實(shí)際接觸對(duì)其自旋電子輸運(yùn)特性的影響。采用非平衡格林函數(shù)結(jié)合自旋極化密度泛函理論的方法計(jì)算了GNR/CNT/GNR 異質(zhì)結(jié)的自旋電子輸運(yùn)相關(guān)特性,發(fā)現(xiàn)具有對(duì)稱(chēng)實(shí)際接觸的GNR/CNT/GNR 異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出非常好的共振輸運(yùn)和自旋過(guò)濾特性。這是因?yàn)榫哂袃衫硐虢佑|的GNR/CNT/GNR異質(zhì)結(jié)是金屬-金屬直接連接,兩套電子結(jié)構(gòu)能很好地耦合,體系呈金屬性。而具有兩實(shí)際接觸的GNR/CNT/GNR 異質(zhì)結(jié)由于接觸區(qū)平滑,兩套電子結(jié)構(gòu)不能很好地耦合,在兩接觸區(qū)形成較高勢(shì)壘,使碳納米管構(gòu)成共振腔,只有滿(mǎn)足一定共振能量的上自旋電子能穿過(guò)勢(shì)壘形成上自旋電流,而下自旋電子不能通過(guò),從而導(dǎo)致了明顯的共振輸運(yùn)和自旋過(guò)濾的特性。這一結(jié)果有助于研究與設(shè)計(jì)自旋注入和自旋濾波的全碳分子器件。