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0 1引言

隨著人們對微觀尺度的研究越來越精細，很多的新型人工合成材料被制備出來，由原子級的二維材料堆疊形成的范德瓦爾斯異質結是近年來研究最熱的合成材料之一，它的出現拓寬了二維材料的應用范圍。如何在二維材料中找到可以用于穩定的高自旋極化輸運甚至完全自旋極化輸運器件的材料，成為了二維材料研究中的重要問題。研究表明，石墨烯/氮化硼堆疊形成的范德瓦爾斯異質結材料因其具有特殊的磁性邊緣態，自身是一個自旋相關的半導體，在外場調控下可實現半導體到半金屬的相變，所以石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質結成為實現自旋輸運這一目標的候選材料之一。受此啟發，我們研究了石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質結在局域電壓下的帶隙和可能的相變，以此性質構建了穩定的自旋極化相關輸運器件，并對自旋極化的機理進行了解釋。

0 2成果簡介

本文使用鴻之微DS-PAW軟件并結合Nanodcal軟件研究鋸齒型石墨烯/氮化硼納米帶范德瓦爾斯異質結的能帶調控和電子輸運性質。結果表明：在局域電壓或者橫向門電壓作用下，石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質結會表現出半金屬性。以石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質結構建了兩種輸運器件，一種器件可以實現完全自旋極化輸運；另一種器件則可以實現自旋極化率大于 60％的電子輸運。利用石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質結構建一個電極區域受柵極電壓控制的磁隧穿器件，其隧穿磁阻在局域電壓調控下可達到 3.53×104。這些結果表明石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質在自旋電子器件領域具有潛在應用價值。

0 3圖文導讀

圖1 頂部圖片：石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質結原子結構的俯視圖。底部圖片：石墨烯/ 氮化硼范德瓦爾斯異質結的側視圖。

圖2(a)-(d)石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質結被施加局域電壓后的能帶。(e)局域電壓下石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質結的能帶帶隙值隨局域電壓的變化。

圖3(a)和(b)完全自旋極化輸運器件的俯視圖和側視圖。(c)隨偏壓增大的電流。(d)和(f)偏壓為 0.65V 時器件的透射譜和中心散射區態密度。(f)無偏壓下器件的透射譜。(g)和(h)無偏壓下器件緩沖層和中心散射區的態密度。

圖4(a)和(b)分別為高自旋極化輸運器件的俯視圖和側視圖。(c)無局域門電壓下的器件透射譜。(d)與自旋相關的 I-V 曲線和自旋極化率曲線。(e)和(f)計算了偏壓為 1.3 V 時費米能級處器件的自旋向上和自旋向下的散射態。

圖5 帶有柵極電壓的輸運器件的(a) SP 和ASP 電導。(b)帶有柵極電壓的磁隧道電阻。SP 狀態表示自旋平行態，ASP 狀態表示反自旋平行態。

圖 6 在VG = 18 V 時沿 x 方向的 SP 狀態的PDOS：(a)自旋向上狀態；(b)自旋向下狀態。在VG = 18 V 時沿 x 方向的ASP 狀態的PDOS：(c)自旋向上狀態；(d)自旋向下狀態。x1、x2、x3 的位置標記在圖 4(b)中。

0 4小結

本文采用密度泛函理論和非平衡格林函數方法，利用鴻之微DS-PAW軟件和Nanodcal軟件研究鋸齒型石墨烯/氮化硼納米帶范德瓦爾斯異質結的能帶調控和電子輸運性質。結果表明：（1）在局域電壓或者橫向門電壓作用下，石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質結會表現出半金屬性，體系會經歷半導體-半金屬-半導體相變。（2）以石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質結構建了兩種輸運器件，一種器件實現了在偏壓范圍 0.62 V到 0.73 V 下實現完全自旋極化輸運。另一種器件實現了在偏壓范圍1 V到 1.6 V 下實現自旋極化率大于 60％的電子輸運。（3）以石墨烯/氮化硼范德瓦爾斯異質結構建了一個電極區域受柵極電壓控制的磁隧穿器件，其隧穿磁阻值在 18V 的局域電壓下可達到 3.53×104，大于傳統磁隧道結器件。