应变石墨烯中电子光学的机理及应用研究

Graphene is a preferred material whose interface can be using to control electron beam in the field of electron optics. The investigations of graphene electron optics make for design of the new electron device. Many people have paid close attentions to this. Strain of graphene is ubiquitous and changes the properties of graphene wonderfully. However, many studies of strained graphene in electron optics field are not carried out or done deeply. In this project, the tight-binding approximation which contains strain effect of the Dirac cones' deformation and displacement of the Dirac points in reciprocal space, and the newly developed theories in the field of electron optics are used to explore physical mechanisms of negative refraction and total reflection when electrons are incident upon barriers. And then the strain influences on electron (spin) optics and waveguide are analyzed and the improvements of design are proposed. Finally, the theories of the strain electron optics are expanded to the investigations of bilayer graphene.

石墨烯是电子光学领域利用界面控制电子束的首选材料，其电子光学方面的研究有助于设计基于石墨烯的新型电子器件，已得到人们的广泛关注。应变给石墨烯的性质带来许多奇妙的改变，且是石墨烯中普遍存在的现象。但是应变石墨烯中许多电子光学领域的研究尚未开展或深入。本项目拟采用"紧键近似"模型，考虑应变引起的石墨烯倒易空间的Dirac点移动和Dirac锥体变形的效应，结合电子光学领域研究中已发展成熟的理论方法，针对石墨烯中电子传输遇到势垒时的负折射和全反射的物理机制开展研究。进而分析应变对电子（自旋）透镜、波导性质的影响，改进设计方案。最后，拓展应变电子光学理论至双层石墨烯。

电子束在石墨烯势垒中传输类似于光在非均匀介质中的传播，与反射和折射等几何光学概念相类比，由此形成了石墨烯中的电子光学，其应用价值（如设计Veselago透镜、电子波导、定向耦合器、调制器等）受到人们的日益关注。应变对石墨烯电子性质产生重要影响，如打开价带和导带间的能隙、产生垂直于应变方向的赝磁势、狄拉克锥体变形和费米速度调制等。本项目研究了单轴应变石墨烯结中的电子输运问题。基于紧束缚模型，分析了应变大小和方向对电子遂穿几率和电导的影响，提出电子开关的设计方案，分析了石墨烯与基底耦合效应、门电压的大小和宽度、电子的费米能等对石墨烯电子开关特性的影响；基于稳态位相理论，研究了应变石墨烯中电子遂穿的类Goos-Hänchen效应；利用传输矩阵方法研究了石墨烯自旋分辨的电子输运，探讨了Rashba旋轨耦合和应变导致电子自旋反转的机理，类比光学定义了调制深度，分析了自旋轨道耦合强度、应变的大小、应变区域的宽度和入射电子的能量对调制深度和电导的影响。在此基础上还研究了石墨烯中不对称量子阱中波导模式问题，对比了经典、克莱因遂穿以及二者并存三种情形波导模式的异同；研究了基底诱导的石墨烯非均匀带隙对超晶格共振隧穿的影响；研究了单层、双层石墨烯手性电子的克莱因遂穿问题。拓展了研究材料的范围，考虑硅烯和T3晶格中电子输运问题。提出了硅烯铁磁/正常/铁磁结中实现能谷和自旋分辨的方案，详细分析了电势、交换势、子格静电势差等对硅烯电子输运的影响；研究了T3晶格中类狄拉克粒子的磁势垒遂穿。通过项目的开展，发现了一些有意义的结果。首先，应变的方向对电子开关有重要影响，只有应变方位角为30°和90°时开关才能完全关死；当应变方位角为0°和60°时，不管应变有多大，开关一直处于打开状态；电子开关不受应变区宽度的影响。其次，发现较小的Rashba旋轨耦合强度和较大的应变，可实现最大自旋分辨调制深度；应变区宽度与调制深度正相关，而与自旋反转率负相关。这些研究结果增强了人们对二维材料中电子输运的理解和认识，为设计功能电子器件提供了新思路和理论基础。