石墨烯分子器件中輸運性質的研究

(長沙理工大學 物理與電子科學學院 湖南 長沙 410114)

引言

由于傳統電子器件受限于尺寸等原因很難再進一步，于是科研人員開始尋找新的可以替代傳統器件的新型器件。1974年，Aviram和Ratner提出了第一個有關分子器件的理論并在論文中對分子整流器的原理做出了構想[1]。隨后美國科學家Moodera等人提出了自旋過濾理論。人們發現分子器件除了具有傳統電子器件的功能，還具有一系列和自旋相關的獨特性質，如：自旋過濾[2]、自旋負微分電阻效應等。本文主要研究了一種石墨烯分子器件的輸運性質。

一、模型簡介和計算方法

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、數據分析和討論

對于W1分子器件，我們首先計算了它分別在P狀態和AP狀態下時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，首先我們先看圖2(a)，當W1器件在P狀態下施加正向偏壓時，我們在圖上可以看到對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先隨著偏壓的增大而增大，當偏壓Vb=0.4時電流達到最大值，如果達到最大值后繼續增大偏壓則電流就會開始減小，當Vb=0.75V時電流幾乎達到零的位置，當我們施加反向偏壓時會觀察到與正向偏壓基本一致的結果，這說明W2分子器件在P狀態下對于自旋向上的電流會出現NDR效應。接下來我們繼續分析當W2分子器件處于AP狀態時的輸運情況，首先看圖2(b)可以看到當給器件施加正向偏壓時，自旋向上的電流幾乎為零而自旋向下的電流除了一個小范圍外一直在不斷增大，這說明在正向偏壓時中心區對于自旋向上的電子基本不會貢獻輸運通道，所以自旋向上的電流幾乎為零，但是中心區卻會為自旋向下的電子提供輸運通道，所以自旋向下的電流不為零，當我們給此時的W2分子器件施加反向偏壓時可以看到此時自旋向下的電流幾乎為零，而自旋向上的電流不為零，這說明中心區在自旋向上的電子輸運時會貢獻輸運通道，而自旋向下的電子輸運時幾乎沒有通道所以會出現這樣的現象，同時我們觀察到自旋向上的電子會先增大并在Vb=0.6V的位址達到電流最大值，之后會在一個小區間內減小然后再增大，這表示自旋向上的電流存在著自旋負微分電阻效應。

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

三、結論

通過對結果的分析，我們發現在W2石墨烯分子器件中當P狀態下兩種自旋電流無法分開，當處于AP狀態下時，對于上旋電流和下旋電流都明顯存在著和偏壓方向相關的自旋極化和自旋負微分電阻效應現象，這說明W2分子器件有著一定的應用前景。