低维碳基、硅基材料的自旋和热自旋输运研究

Low dimension of carbon-based and silicon-based materials have become the front edge and hot spot of condensed matter physics due to their unique electrical, magnetic, optical and mechanical properties.It is scientific importance and application potential to research the low dimension of carbon-based and silicon-based materials functionalized with organic radicals using in spintronic and spin caloritronics fields. In this project, we firstly study electronic structures of the low dimension of carbon-based and silicon-based materials functionalized with organic radicals. The effects of organic radical species, position and concentration on the magnetism will be extensively explored.Then,we will design a series of devices using the low dimension of carbon-based and silicon-based materials. We will apply the density functional theory(DFT) combined with non-equilibrium Green’s function (NEGF) method to study the spin transport and thermal spin transport properties of these devices,such as spin Seebeck effect, spin/thermal spin negative differential effect, spin/thermal spin diode effect, spin/thermal spin filter effect and others. Finally, we will explore the physical mechanism in these systems. This project offers a new way to design new spin-based multifunctional devices and provides preliminary research foundation and technical support for potential application of these devices.

低维碳基、硅基材料由于具有独特的电学、磁学、光学和力学性质成为了凝聚态物理研究前沿。开展有机自由基功能化的低维碳基、硅基材料在自旋/自旋热电子学等领域的研究，具有重要的科学意义和应用价值。本项目拟首先研究有机自由基功能化的低维碳基、硅基材料的电子结构，探索有机自由基种类、位置、浓度对其磁性的影响规律。然后以有机自由基功能化的低维碳基、硅基材料为载体，设计一系列自旋和自旋热电子学器件；利用密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）相结合的方法，分析器件自旋和热自旋输运特性，如自旋赛贝克、自旋/热自旋负微分、自旋/热自旋二极管、自旋/热自旋阀等，揭示其物理机制，探究其在自旋/自旋热电子学器件方面的潜在应用。本项目研究意义在于不仅为构建新型多功能自旋/自旋热电子器件提供了一条新的途径，还能对低维碳基、硅基材料等新材料的应用提供前期研究基础和技术支持。

低维碳基、硅基材料由于具有独特的电学、磁学、光学和力学性质成为了凝聚态物理研究前沿。开展有机自由基功能化的低维碳基、硅基材料在自旋/自旋热电子学等领域的研究，具有重要的科学意义和应用价值。本项目执行四年来，在低维碳基、硅基材料在自旋/自旋热电子学等领域取得了系列进展，基本完成了预期目标：1.设计了一系列的光控、力控以及化学反应调控的热自旋逻辑器件，为其在热自旋电子学器件方面应用提供了理论指导。2. 发现了线性和非线性热自旋输运，各项异性热自旋输运以及热整流效应，丰富了热自旋输运现象，解决了已有热自旋电子学器件中较大温差难以实现的困难。3. 研究了石墨烯, BN纳米带功能化碳纳米管的热自旋输运性质，发现热自旋过滤效应，自旋相关塞贝克效应，解决了已有热自旋电子学器件中在室温下结构稳定性较差的困难。4. 对二维磁性范德瓦尔斯异质结进行了系统的分类，并在此基础上构造了CrI3/NiCl2范德瓦尔斯异质结自旋热电子学器件，发现电场可调控CrI3，NiCl2间的磁耦合，当施加温度场时，自旋向上的电流在NiCl2层中流动，而自旋向下的电流在CrI3层中流动，即在器件中存在自旋赛贝克效应和热自旋过滤效应，第一次实现了在空间和能量上不同方向自旋电流同时分离。5. 在一系列的低维硅基，碳基材料中发现了自旋相关塞贝克效应、自旋相关塞贝克二极管效应、热自旋过滤效应、热巨磁阻效应等。发现具有大能隙的双极化半导体有利于产生自旋相关二极管效应；具有小能隙的双极化半导体有利于发生自旋相关塞贝克效应；双极化的自旋无带隙的半导体材料最有利于自旋相关塞贝克效应；半金属材料是最佳的自旋过滤效应的候选。此外，还研究了一维FET的性能及多种范德瓦尔斯异质结的电子结构，发现一维Sb2Se3FET可将摩尔定律延升至3nm以及电场和应力可调控范德瓦尔斯异质结的电子结构。项目在PRB，Nanoscale，PCCP，PHYSICA E等期刊共发表SCI期刊论文27篇(含2018年以及未标注文章)。