石墨烯納米帶復合異質結中的自旋過濾效應

張向華,劉帥杰,田 莉,張 梟,陳凱杰

(湖南工程學院 電氣與信息工程學院,湖南 湘潭 411104)

如今,“自旋電子學”成為了一個熱門的前沿科技領域,自旋電子學研究有望帶來性能更好、能耗更低的新一代電子器件。人們已經對自旋電子管[1]、自旋濾波器[2-3]、自旋場效應晶體管[4-5]、自旋二極管[6-7]等自旋電子器件進行了不同程度的理論和實驗探索。自旋過濾器可以在電子輸運過程中允許某一種自旋方向的電子通過,同時阻止另外一種自旋方向的電子通過,從而獲取自旋極化電流[8]。高效的自旋過濾器可作為極化電源使用,提供自旋電子注入,并有助于進一步設計和制作高性能的自旋電子器件。石墨烯因高電子遷移率、長自旋壽命、門電壓可調性,被認為是制作下一代自旋納米電子器件的理想材料[9-10]。

目前,可以通過外加橫向電場或磁場、外加化學官能團修飾、選擇合適的電極材料等方法實現石墨烯基分子器件的自旋過濾。如Son 等[11]提出在鋸齒型石墨烯納米帶中外加橫向電場可以實現自旋過濾。Kan等[12]通過在鋸齒型石墨烯納米帶邊緣分別添加化學官能團NH2、NO2和CH3的方法實現了自旋過濾。Zeng等[13]通過改變電極的磁場方向和門電壓調控實現了鋸齒型石墨烯納米帶的自旋過濾。Zhang 等[14]提出以金為電極,在三角形石墨烯片的兩端對稱連接等長度的碳原子鏈,可以實現自旋過濾。Deng 等[15]通過在鋸齒形石墨烯納米帶中摻雜鐵實現了自旋過濾。Kang等[16]發現在鋸齒形石墨烯納米帶中引入缺陷,形成兩個五碳環可以產生自旋極化,并且自旋極化電流可由外加磁場控制。Movlarooy 等[17]通過在石墨烯納米帶中摻雜鐵和硼原子,實現了自旋過濾。但是外加電場或磁場需要引入的電場閾值較高[18],給實際操作帶來不便,且難以實現元器件的集成化;添加化學官能團在操作上很難控制修飾原子的位置,且添加的其他原子會極大地影響石墨烯基電子器件的電子輸運性能[18-19]。另外對于以鐵磁材料或金屬作為電極構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耦合非常弱,導致自旋電子注入效率低[20]。因此,實現無外加電場或磁場條件下的石墨烯基全碳分子自旋過濾器成為人們研究的重點。

Wei 等[21]通過部分裁剪碳納米管制備了石墨烯納米帶/碳納米管(CNR/GNT)復合一維材料,這種材料表現出非常好的整流效應。本文在此石墨烯納米帶/碳納米管(CNR/GNT)復合一維材料的基礎上,構建了石墨烯納米帶(GNR)/碳納米管(CNT)/石墨烯納米帶(GNR)對稱復合異質結。由于GNR-CNT-GNR 是對稱的腔體結構,相比非對稱CNT-GNR 更容易實現共振輸運。而不同接觸細節對CNT/GNR 復合異質結的電子輸運特性有極大的影響[22]。本文設計了具有對稱實際接觸的GNR/CNT/GNR異質結和具有對稱理想接觸的GNR/CNT/GNR 異質結。研究結果表明,由于接觸區結構不同,應力不同,具有對稱理想接觸區的GNR/CNT/GNR 異質結呈金屬性,而具有對稱實際接觸的GNR/CNT/GNR 異質結具有明顯的共振輸運和自旋過濾的特性。這一研究結果有助于設計高效的全碳分子自旋過濾器。

1 計算模型與方法

GNR/CNT/GNR 復合異質結由具有5 個原胞長度的(10,10)扶手椅型碳納米管CNT 對稱端連兩條半無限長(4,0)鋸齒形石墨烯納米帶(ZGNR)構成。器件分為左電極、中心散射區和右電極三個部分。圖1 為GNR/CNT/GNR 復合異質結器件的結構示意圖。矩形框中的原子為左右電極的表面原子。圖1(a)為兩個接觸區均為理想接觸的GNR/CNT/GNR 異質結(IGCG)的正視圖,圖1(b)是I-GCG 的正視圖。一個理想接觸是只有4 個C—C 鍵而無碳原子的接觸結構,即碳納米管和石墨烯納米帶通過4 個C—C 鍵直接相連。圖1(c)是兩個接觸區均為實際接觸的GNR/CNT/GNR 異質結(R-GCG)的正視圖。一個實際接觸是在一個理想接觸的基礎上多56 個碳原子。所有GNR/CNT/GNR 器件的邊緣懸掛鍵均用H 飽和。

圖1 GNR/CNT/GNR 復合異質結的結構示意圖Fig.1 The geometry of the GNR/CNT/GNR heterojunctions of devices

采用VASP-5.3[23]對器件的結構進行優化,采用PAW 贗勢,平面波的截斷能為500 eV,殘余力為0.02 eV/nm,交換關聯勢采用rPBE-GGA[24-25]。電子輸運計算采用從頭算計算程序包SIESTA-3.2[26],計算中采用非平衡格林函數(NEGF)結合自旋極化的密度泛函理論(DFT)方法,DZP 基組,截斷能取0.01 Ry,交換關聯勢仍然采用rPBE-GGA。結構的電流由Landauer-Buttike 公式計算[27]。文中輸運譜的縱軸(Transmission)代表透射系數T(E,Vb)。T(E,Vb)是體系在Vb偏壓、E能量下的透射系數,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域的耦合函數,GR,GA分別是滯后和超前格林函數[28]。

2 結果與討論

I-GCG 和R-GCG 的零偏壓電子輸運譜如圖2 所示,為便于觀察,將I-GCG 的電子輸運譜整體上移了1 個單位。I-GCG 在費米能處有連續的輸運峰,說明電子透射的概率很大,表明I-GCG 呈金屬性。而RGCG 在費米能附近的電子輸運為零,說明其電子透射概率在一定偏壓內很低,并存在一個較寬的能隙,使其呈半導體性。這是因為理想接觸是CNT 和GNR 通過4 個C—C 鍵直接相連,因此是金屬與金屬直接連接,所以CNT 和GNR 的兩套電子結構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,從而在費米能級附近出現連續的電子輸運峰。而具有實際接觸的R-GCG,在接觸區CNT 和GNR 具有平滑的接觸結構,對接應力小,CNT 和GNR 的兩套電子結構不能很好地耦合,在接觸區存在很高的勢壘[29],因此體系呈半導體性。另外,可以看到R-GCG 的零偏壓電子輸運圖譜上有明顯的尖銳輸運峰,說明R-GCG 發生了共振輸運。這是因為兩個實際接觸區形成的兩個對稱接觸勢壘構成一個共振腔,滿足特定共振能量的電子則可以通過共振輸運的方式通過有限長度的碳納米管。

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

共振輸運有利于產生自旋過濾效應[30],因此計算了I-GCG 和R-GCG 異質結在鐵磁(FM)基態零偏壓下的自旋極化輸運譜,如圖3 所示。為便于觀察,將I-GCG 的自旋極化輸運譜整體上移3 個單位。圖3 中I-GCG 和R-GCG 兩個體系的上自旋和下自旋輸運譜均不對稱,說明I-GCG 和R-GCG 都產生了自旋極化輸運。I-GCG 的上自旋譜線和下自旋譜線在費米能級處均有連續的輸運峰,表明在零偏壓下,I-GCG 異質結對上自旋電子和下自旋電子均表現出金屬性。RGCG 的上自旋電子在位于-0.25 eV 處有一個較強的共振輸運峰,而下自旋電子在費米能附近有約1.5 eV的能隙。說明上自旋電子是產生共振輸運的來源,而下自旋電子在費米能附近不能通過。因此有望實現高效的自旋過濾效應。

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

進一步計算了I-GCG 和R-GCG 異質結的自旋電流-電壓關系曲線與不同偏壓下的自旋極化輸運譜,如圖4,圖5 所示。可以看到,I-GCG 和R-GCG 兩個體系的上自旋電流和下自旋電流均不重合,表明IGCG 和R-GCG 均產生了自旋極化電流,且上自旋電流較強于下自旋電流。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 中偏壓窗口內輸運峰的分布特點相吻合。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的近似線性關系,表現出金屬性,這與之前計算的自旋極化輸運譜線的結果是一致的。R-GCG 的自旋電流-電壓關系曲線與自旋極化輸運譜,正如期望的那樣,自旋向上的體系在偏壓窗口內始終存在一個明顯的輸運峰,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透射系數都幾乎為0,導致下自旋電流幾乎為0,從而表現出明顯的自旋過濾效應。

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濾程度,選用自旋極化率來對兩個體系的自旋過濾程度進行定量描述。用公式(Iup-Idown)/(Iup+Idown) 表示自旋極化率,經計算可得R-GCG 在偏置電壓為0.3 V 時,自旋極化率可達到近100%。這與上面計算的0.3 V 下的自旋極化輸運譜圖5(a)相吻合。自旋過濾產生的原因是,R-GCG的上自旋譜線在費米能級附近有尖銳的共振輸運峰,而滿足這一共振能量的上自旋電子可以通過有限長度的碳納米管,提供了上自旋電流的來源。而下自旋電子的輸運譜線上,在費米能級附近有一個較寬的帶隙,在偏壓為-1 V

3 結論

本文構建了一種GNR/CNT/GNR 對稱異質結,研究了對稱理想接觸和對稱實際接觸對其自旋電子輸運特性的影響。采用非平衡格林函數結合自旋極化密度泛函理論的方法計算了GNR/CNT/GNR 異質結的自旋電子輸運相關特性,發現具有對稱實際接觸的GNR/CNT/GNR 異質結表現出非常好的共振輸運和自旋過濾特性。這是因為具有兩理想接觸的GNR/CNT/GNR異質結是金屬-金屬直接連接,兩套電子結構能很好地耦合,體系呈金屬性。而具有兩實際接觸的GNR/CNT/GNR 異質結由于接觸區平滑,兩套電子結構不能很好地耦合,在兩接觸區形成較高勢壘,使碳納米管構成共振腔,只有滿足一定共振能量的上自旋電子能穿過勢壘形成上自旋電流,而下自旋電子不能通過,從而導致了明顯的共振輸運和自旋過濾的特性。這一結果有助于研究與設計自旋注入和自旋濾波的全碳分子器件。