基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法

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0 1引言

随着人们对微观尺度的研究越来越精细，很多的新型人工合成材料被制备出来，由原子级的二维材料堆叠形成的范德瓦尔斯异质结是近年来研究最热的合成材料之一，它的出现拓宽了二维材料的应用范围。如何在二维材料中找到可以用于稳定的高自旋极化输运甚至完全自旋极化输运器件的材料，成为了二维材料研究中的重要问题。研究表明，石墨烯/氮化硼堆叠形成的范德瓦尔斯异质结材料因其具有特殊的磁性边缘态，自身是一个自旋相关的半导体，在外场调控下可实现半导体到半金属的相变，所以石墨烯/氮化硼范德瓦尔斯异质结成为实现自旋输运这一目标的候选材料之一。受此启发，我们研究了石墨烯/氮化硼范德瓦尔斯异质结在局域电压下的带隙和可能的相变，以此性质构建了稳定的自旋极化相关输运器件，并对自旋极化的机理进行了解释。

0 2成果简介

本文使用鸿之微DS-PAW软件并结合Nanodcal软件研究锯齿型石墨烯/氮化硼纳米带范德瓦尔斯异质结的能带调控和电子输运性质。结果表明：在局域电压或者横向门电压作用下，石墨烯/氮化硼范德瓦尔斯异质结会表现出半金属性。以石墨烯/氮化硼范德瓦尔斯异质结构建了两种输运器件，一种器件可以实现完全自旋极化输运；另一种器件则可以实现自旋极化率大于 60％的电子输运。利用石墨烯/氮化硼范德瓦尔斯异质结构建一个电极区域受栅极电压控制的磁隧穿器件，其隧穿磁阻在局域电压调控下可达到 3.53×104。这些结果表明石墨烯/氮化硼范德瓦尔斯异质在自旋电子器件领域具有潜在应用价值。

0 3图文导读

图1 顶部图片：石墨烯/氮化硼范德瓦尔斯异质结原子结构的俯视图。底部图片：石墨烯/ 氮化硼范德瓦尔斯异质结的侧视图。

图2(a)-(d)石墨烯/氮化硼范德瓦尔斯异质结被施加局域电压后的能带。(e)局域电压下石墨烯/氮化硼范德瓦尔斯异质结的能带带隙值随局域电压的变化。

图3(a)和(b)完全自旋极化输运器件的俯视图和侧视图。(c)随偏压增大的电流。(d)和(f)偏压为 0.65V 时器件的透射谱和中心散射区态密度。(f)无偏压下器件的透射谱。(g)和(h)无偏压下器件缓冲层和中心散射区的态密度。

图4(a)和(b)分别为高自旋极化输运器件的俯视图和侧视图。(c)无局域门电压下的器件透射谱。(d)与自旋相关的 I-V 曲线和自旋极化率曲线。(e)和(f)计算了偏压为 1.3 V 时费米能级处器件的自旋向上和自旋向下的散射态。

图5 带有栅极电压的输运器件的(a) SP 和ASP 电导。(b)带有栅极电压的磁隧道电阻。SP 状态表示自旋平行态，ASP 状态表示反自旋平行态。

图 6 在VG = 18 V 时沿 x 方向的 SP 状态的PDOS：(a)自旋向上状态；(b)自旋向下状态。在VG = 18 V 时沿 x 方向的ASP 状态的PDOS：(c)自旋向上状态；(d)自旋向下状态。x1、x2、x3 的位置标记在图 4(b)中。

0 4小结

本文采用密度泛函理论和非平衡格林函数方法，利用鸿之微DS-PAW软件和Nanodcal软件研究锯齿型石墨烯/氮化硼纳米带范德瓦尔斯异质结的能带调控和电子输运性质。结果表明：（1）在局域电压或者横向门电压作用下，石墨烯/氮化硼范德瓦尔斯异质结会表现出半金属性，体系会经历半导体-半金属-半导体相变。（2）以石墨烯/氮化硼范德瓦尔斯异质结构建了两种输运器件，一种器件实现了在偏压范围 0.62 V到 0.73 V 下实现完全自旋极化输运。另一种器件实现了在偏压范围1 V到 1.6 V 下实现自旋极化率大于 60％的电子输运。（3）以石墨烯/氮化硼范德瓦尔斯异质结构建了一个电极区域受栅极电压控制的磁隧穿器件，其隧穿磁阻值在 18V 的局域电压下可达到 3.53×104，大于传统磁隧道结器件。

审核编辑：彭静