张向华,刘帅杰,田 莉,张 枭,陈凯杰

(湖南工程学院 电气与信息工程学院,湖南 湘潭 411104)

如今,“自旋电子学”成为了一个热门的前沿科技领域,自旋电子学研究有望带来性能更好、能耗更低的新一代电子器件。人们已经对自旋电子管[1]、自旋滤波器[2-3]、自旋场效应晶体管[4-5]、自旋二极管[6-7]等自旋电子器件进行了不同程度的理论和实验探索。自旋过滤器可以在电子输运过程中允许某一种自旋方向的电子通过,同时阻止另外一种自旋方向的电子通过,从而获取自旋极化电流[8]。高效的自旋过滤器可作为极化电源使用,提供自旋电子注入,并有助于进一步设计和制作高性能的自旋电子器件。石墨烯因高电子迁移率、长自旋寿命、门电压可调性,被认为是制作下一代自旋纳米电子器件的理想材料[9-10]。

目前,可以通过外加横向电场或磁场、外加化学官能团修饰、选择合适的电极材料等方法实现石墨烯基分子器件的自旋过滤。如Son 等[11]提出在锯齿型石墨烯纳米带中外加横向电场可以实现自旋过滤。Kan等[12]通过在锯齿型石墨烯纳米带边缘分别添加化学官能团NH2、NO2和CH3的方法实现了自旋过滤。Zeng等[13]通过改变电极的磁场方向和门电压调控实现了锯齿型石墨烯纳米带的自旋过滤。Zhang 等[14]提出以金为电极,在三角形石墨烯片的两端对称连接等长度的碳原子链,可以实现自旋过滤。Deng 等[15]通过在锯齿形石墨烯纳米带中掺杂铁实现了自旋过滤。Kang等[16]发现在锯齿形石墨烯纳米带中引入缺陷,形成两个五碳环可以产生自旋极化,并且自旋极化电流可由外加磁场控制。Movlarooy 等[17]通过在石墨烯纳米带中掺杂铁和硼原子,实现了自旋过滤。但是外加电场或磁场需要引入的电场阈值较高[18],给实际操作带来不便,且难以实现元器件的集成化;添加化学官能团在操作上很难控制修饰原子的位置,且添加的其他原子会极大地影响石墨烯基电子器件的电子输运性能[18-19]。另外对于以铁磁材料或金属作为电极构成的非全碳分子电子器件,由于石墨烯与铁磁材料或金属电极之间的电子态耦合非常弱,导致自旋电子注入效率低[20]。因此,实现无外加电场或磁场条件下的石墨烯基全碳分子自旋过滤器成为人们研究的重点。

Wei 等[21]通过部分裁剪碳纳米管制备了石墨烯纳米带/碳纳米管(CNR/GNT)复合一维材料,这种材料表现出非常好的整流效应。本文在此石墨烯纳米带/碳纳米管(CNR/GNT)复合一维材料的基础上,构建了石墨烯纳米带(GNR)/碳纳米管(CNT)/石墨烯纳米带(GNR)对称复合异质结。由于GNR-CNT-GNR 是对称的腔体结构,相比非对称CNT-GNR 更容易实现共振输运。而不同接触细节对CNT/GNR 复合异质结的电子输运特性有极大的影响[22]。本文设计了具有对称实际接触的GNR/CNT/GNR异质结和具有对称理想接触的GNR/CNT/GNR 异质结。研究结果表明,由于接触区结构不同,应力不同,具有对称理想接触区的GNR/CNT/GNR 异质结呈金属性,而具有对称实际接触的GNR/CNT/GNR 异质结具有明显的共振输运和自旋过滤的特性。这一研究结果有助于设计高效的全碳分子自旋过滤器。

1 计算模型与方法

GNR/CNT/GNR 复合异质结由具有5 个原胞长度的(10,10)扶手椅型碳纳米管CNT 对称端连两条半无限长(4,0)锯齿形石墨烯纳米带(ZGNR)构成。器件分为左电极、中心散射区和右电极三个部分。图1 为GNR/CNT/GNR 复合异质结器件的结构示意图。矩形框中的原子为左右电极的表面原子。图1(a)为两个接触区均为理想接触的GNR/CNT/GNR 异质结(IGCG)的正视图,图1(b)是I-GCG 的正视图。一个理想接触是只有4 个C—C 键而无碳原子的接触结构,即碳纳米管和石墨烯纳米带通过4 个C—C 键直接相连。图1(c)是两个接触区均为实际接触的GNR/CNT/GNR 异质结(R-GCG)的正视图。一个实际接触是在一个理想接触的基础上多56 个碳原子。所有GNR/CNT/GNR 器件的边缘悬挂键均用H 饱和。

图1 GNR/CNT/GNR 复合异质结的结构示意图Fig.1 The geometry of the GNR/CNT/GNR heterojunctions of devices

采用VASP-5.3[23]对器件的结构进行优化,采用PAW 赝势,平面波的截断能为500 eV,残余力为0.02 eV/nm,交换关联势采用rPBE-GGA[24-25]。电子输运计算采用从头算计算程序包SIESTA-3.2[26],计算中采用非平衡格林函数(NEGF)结合自旋极化的密度泛函理论(DFT)方法,DZP 基组,截断能取0.01 Ry,交换关联势仍然采用rPBE-GGA。结构的电流由Landauer-Buttike 公式计算[27]。文中输运谱的纵轴(Transmission)代表透射系数T(E,Vb)。T(E,Vb)是体系在Vb偏压、E能量下的透射系数,表示电子从左电极到右电极的透射几率。由公式T(E,Vb)=Tr[ΓlGRΓrGA]确定,其中Γl,Γr分别是左右电极散射区域的耦合函数,GR,GA分别是滞后和超前格林函数[28]。

2 结果与讨论

I-GCG 和R-GCG 的零偏压电子输运谱如图2 所示,为便于观察,将I-GCG 的电子输运谱整体上移了1 个单位。I-GCG 在费米能处有连续的输运峰,说明电子透射的概率很大,表明I-GCG 呈金属性。而RGCG 在费米能附近的电子输运为零,说明其电子透射概率在一定偏压内很低,并存在一个较宽的能隙,使其呈半导体性。这是因为理想接触是CNT 和GNR 通过4 个C—C 键直接相连,因此是金属与金属直接连接,所以CNT 和GNR 的两套电子结构能够很好地紧密耦合,使I-GCG 体系具有和石墨烯一样高的电子迁移率,呈金属性,从而在费米能级附近出现连续的电子输运峰。而具有实际接触的R-GCG,在接触区CNT 和GNR 具有平滑的接触结构,对接应力小,CNT 和GNR 的两套电子结构不能很好地耦合,在接触区存在很高的势垒[29],因此体系呈半导体性。另外,可以看到R-GCG 的零偏压电子输运图谱上有明显的尖锐输运峰,说明R-GCG 发生了共振输运。这是因为两个实际接触区形成的两个对称接触势垒构成一个共振腔,满足特定共振能量的电子则可以通过共振输运的方式通过有限长度的碳纳米管。

图2 零偏压下I-GCG 和R-GCG 的电子输运谱Fig.2 Transmission spectra of I-GCG and R-GCG at 0 V

共振输运有利于产生自旋过滤效应[30],因此计算了I-GCG 和R-GCG 异质结在铁磁(FM)基态零偏压下的自旋极化输运谱,如图3 所示。为便于观察,将I-GCG 的自旋极化输运谱整体上移3 个单位。图3 中I-GCG 和R-GCG 两个体系的上自旋和下自旋输运谱均不对称,说明I-GCG 和R-GCG 都产生了自旋极化输运。I-GCG 的上自旋谱线和下自旋谱线在费米能级处均有连续的输运峰,表明在零偏压下,I-GCG 异质结对上自旋电子和下自旋电子均表现出金属性。RGCG 的上自旋电子在位于-0.25 eV 处有一个较强的共振输运峰,而下自旋电子在费米能附近有约1.5 eV的能隙。说明上自旋电子是产生共振输运的来源,而下自旋电子在费米能附近不能通过。因此有望实现高效的自旋过滤效应。

图3 零偏压下I-GCG 和R-GCG 在FM 基态的自旋极化输运谱Fig.3 Spin-polarized transmission spectra of I-GCG and R-GCG at 0 V at FM state

进一步计算了I-GCG 和R-GCG 异质结的自旋电流-电压关系曲线与不同偏压下的自旋极化输运谱,如图4,图5 所示。可以看到,I-GCG 和R-GCG 两个体系的上自旋电流和下自旋电流均不重合,表明IGCG 和R-GCG 均产生了自旋极化电流,且上自旋电流较强于下自旋电流。I-GCG 的自旋极化电流明显大于R-GCG 的自旋极化电流,这与图5 中偏压窗口内输运峰的分布特点相吻合。在零偏压附近,I-GCG 的上自旋电流和下自旋电流与电压呈连续的近似线性关系,表现出金属性,这与之前计算的自旋极化输运谱线的结果是一致的。R-GCG 的自旋电流-电压关系曲线与自旋极化输运谱,正如期望的那样,自旋向上的体系在偏压窗口内始终存在一个明显的输运峰,从而具有明显的上自旋电流,但自旋向下的体系在偏压窗口内透射系数都几乎为0,导致下自旋电流几乎为0,从而表现出明显的自旋过滤效应。

图4 (a) I-GCG 和(b) R-GCG 的自旋电流-电压特征曲线Fig.4 The spin I-V curves.(a) I-GCG;(b) R-GCG

图5 I-GCG 和R-GCG 的自旋极化输运谱。竖虚线表示偏压窗Fig.5 Spin-polarized transmission spectra of I-GCG and R-GCG

为了便于定量描述自旋过滤程度,选用自旋极化率来对两个体系的自旋过滤程度进行定量描述。用公式(Iup-Idown)/(Iup+Idown) 表示自旋极化率,经计算可得R-GCG 在偏置电压为0.3 V 时,自旋极化率可达到近100%。这与上面计算的0.3 V 下的自旋极化输运谱图5(a)相吻合。自旋过滤产生的原因是,R-GCG的上自旋谱线在费米能级附近有尖锐的共振输运峰,而满足这一共振能量的上自旋电子可以通过有限长度的碳纳米管,提供了上自旋电流的来源。而下自旋电子的输运谱线上,在费米能级附近有一个较宽的带隙,在偏压为-1 V

3 结论

本文构建了一种GNR/CNT/GNR 对称异质结,研究了对称理想接触和对称实际接触对其自旋电子输运特性的影响。采用非平衡格林函数结合自旋极化密度泛函理论的方法计算了GNR/CNT/GNR 异质结的自旋电子输运相关特性,发现具有对称实际接触的GNR/CNT/GNR 异质结表现出非常好的共振输运和自旋过滤特性。这是因为具有两理想接触的GNR/CNT/GNR异质结是金属-金属直接连接,两套电子结构能很好地耦合,体系呈金属性。而具有两实际接触的GNR/CNT/GNR 异质结由于接触区平滑,两套电子结构不能很好地耦合,在两接触区形成较高势垒,使碳纳米管构成共振腔,只有满足一定共振能量的上自旋电子能穿过势垒形成上自旋电流,而下自旋电子不能通过,从而导致了明显的共振输运和自旋过滤的特性。这一结果有助于研究与设计自旋注入和自旋滤波的全碳分子器件。