二维谷电子器件含时输运特性的理论研究

With the advance of two dimensional materials graphene and transition-metal dichalcogenides (TMDs), valleytronics is now one of the most active research area in condensed matter physics. The main purpose of valleytronics is to use valley degrees of freedom as information carrier, which can store, manipulate and transport bits of information encoded in the valley quantum index in new realistic electronic devices. Currently, people focus on the generation and detection of valley polarized and pure valley current under dc steady state regime. While the dynamic response of valleytronic device is one of the most important factors of them, this project aims to study the dynamical response of valleytronic device. The theoretical study and numerical simulations will be mainly based on non-equilibrium Green’s function combined with tight binding Hamiltonian and Hamiltonian obtained from Density Function Theory (DFT). The main investigations of this project will focus on following subjects: (1). The time dependent transient valley polarized current (including the settling time that reaches the steady state when the external bias is turn on and off like step pulse) and pure valley current. (2). The dynamical response of valley polarized and pure valley current when the external bias is in alternating sinusoidal form. (3). The effect of impurity and decoherence in realistic valleytronic device on the dynamical response of valley polarized and pure valley current. This research will fill the gap about the dynamical response study in valleytronics, which is not only fundamental valuable but also boost the development of their applications in nanotechnology.

伴随着二维材料石墨烯和过渡金属二硫属化物的兴起，谷电子学成为凝聚态物理领域新兴的研究热点之一。其主要目的是利用电子的谷自由度作为信息载体，设计并实现可存贮、调控以及传输的新型谷电子学器件。其目前的研究集中在直流稳态偏压下，产生和探测谷极化以及纯谷电流。然而谷电子器件的动态响应是描述其性能必不可少的一个重要指标，故本项目针对二维谷电子器件的动态响应展开理论研究。主要利用非平衡格林函数结合紧束缚模型以及第一性原理计算进行理论和数值模拟。主要研究内容包括以下三个方面：（1）在电源开关打开或关闭的瞬态情况下，研究暂态谷极化及纯谷电流的变化，以及其到达稳态的时间等。（2）在交流稳态偏压下，谷极化、纯谷电流的动态响应。（3）谷电子器件中的杂质以及退相干效应对谷极化及纯谷电流动态响应的影响。该研究将弥补谷电子器件动态响应研究的不足，不仅具有基础科学的研究价值，还将推动其在纳米科技中的实际应用。

随着具有六角结构的单层石墨烯的发现，人们意识到谷自由度可以与自旋自由度一样。基于此，人们建立了谷电子学的概念，其主要目的是利用材料中电子的谷自由度作为信息载体，设计并实现可存贮、调控以及传输的新型谷电子学器件，由于赝自旋流在传输过程中的能量耗散很小，如果用于信息的处理，将会极大地节约能量，提高能量利用效率，因此引起了人们的广泛关注。本项目基于非平衡格林函数与密度泛函理论以及紧束缚模型相结合的理论方法研究二维材料谷电子器件的输运特性。首先，我们得到硼氮掺杂与温差引起的石墨烯纳米带谷极化电流，通过硼和氮原子进行参杂时，纯谷电流会变为谷极化电流。随着退相干强度的增强，谷电流有所减弱；通过研究基于石墨烯的范德华异质结构，即夹在两个六方氮化硼的锯齿状石墨烯纳米带，我们展示了通过光照，可以产生完美的谷（自旋）极化率运输的新方案。其机理在于石墨烯自旋简并被硼氮薄片产生的交错电势所打破，因此产生的谷（自旋）激发可以通过适当调整光子能量将电子从价带引导到导带所产生。从而为其在谷（自旋）电子学中的应用铺平了道路；设计了二维材料黑磷新型易失性存储器件和自旋电子器件，为其在存储器件和自旋器件中的应用提供了理论基础；理论推导了交流电导以及直流噪声在无序杂质存在情况下的计算公式，为研究谷电子器件的直流噪声与交流输运特性提供了理论方法；研究了磷化铋与硒化铟等铁电材料构成的铁电隧穿结的输运特性，为谷电子器件的非易失性电调控提供了有效的理论依据。项目结果为谷电子器件的研究为实验提供了有效的参考资料，将在谷电子器件输运特性的研究中发挥重要作用。