石墨烯自旋电子器件的研究

There is a very strong research interest in the physical properties of graphene and its applications in electronics and spintronics. For electronic applications, researchers are interested in exploiting the special electronic properties, such as the linear dispersion relation. For spintronics, researchers are attracted by graphene's long spin relaxation time. Researchers have already started the study of graphene-based qubits for building quantum computers, spontaneous magnetizations created by defects, doping and edge states. In monolayer graphene grown on nickel intercalated with gold atoms, strong spin-orbit interaction was found recently. This can be used as an effective tool to control spin in graphene. Ferromagnetic proximity was also studied for the generation of spin polarization and spin-dependent transport properties. Although there are quite a number of studies of the spin-dependent properties of graphene, we have relatively little understanding of how spin interactions, such as spin-orbit interaction and exchange interaction induced by proximity effect, in graphene can be used to generate, maninpulate and detect spin and spin polarization. To develop really useful spintronic devices, it is necessary to understand how these spin interactions can be used to realize these functions in graphene nanostructures. The objective of this project is to study the behavior of spin in graphene nanostructures under the influence of the spin interactions and use the knowledge obtained to design useful and practical spintronic devices. The results obtained in the project will be useful to experimentalists for the realization of spintronic devices experimentally.

石墨烯的特殊电子特性, 吸引很多研究工作者的兴趣。因它有很长的自旋弛豫时间，故此也被视为制造自旋电子器件的重要材料。最近人们亦开展了用石墨烯纳米结构制造量子位元的研究， 以及亦对由缺陷、掺杂和边缘态所产生自发磁化展开详细基本及应用研究。最近，在金属基板上生长的石墨烯中, 发现颇大的自旋轨道相互作用。这是一个重要发现，因为这可用作自旋转控制的一种手段。另一方面，人们也对如何在石墨烯中利用铁磁邻近效应控制自旋作出研究。尽管有这么多研究工作，我们对如何能在石墨烯纳米结构有效的检测、生成和操纵电子自旋的理解仍处于起步阶段。这方面的知识和进展对石墨烯量子计算机的发展，以及其他自旋电子学的应用是非常重要的。本项目的目标是研究如何利用各种自旋作用,如自旋-轨道相互作用和铁磁交换作用, 在石墨烯纳米结构中实现这些自旋电子功能。在这个项目中所取得的成果，可以对石墨烯中的量子调控和自旋电子器件的设计和制造起

由于石墨烯的特殊电子传输和电子自旋的特性, 很多研究工作者都对石墨烯的硏究产生浓厚的兴趣,希望能够利用石墨烯来制造出更快,更节能的器件.特别是自旋器件，我们相信利用电子自旋能做出比电子器件更优胜的器件。固此我们这硏究项目的目的是要研究在石墨烯内的电子自旋物理从而利用成果来发展自旋器件。我们的研究内容分三个部份: (1) 自旋流的检测 (2)自旋流的产生和控制 (3)自旋的控制。对自旋的检测我们研究了古斯汉欣的方法和电子光学方法来把不同的自旋流分开。古斯汉欣的方法是利用位置移动来把电流分开。而电子光学方法是把某一种自旋的电子聚焦。这两种方法都可以把不同的自旋流分开，从而检测自旋流。在自旋流的产生和控制方面, 我们研究了利用纳米结构，量子泵浦现象和自旋轨道耦合作用来实现我们的目标。利用两个振荡的电压可以透过泵浦现象产生直流电。只要能令自旋分裂，就可以产生自旋流。利用自旋和电子运动的相互作用可以利用纳米结构来过滤及产生自旋流。这样产生出来的自旋流是可用费米能来调控。在自旋轨道耦合结构可以用很少的费米能変化来调控。在自旋控制方面，我们研究了如何用磁场把电子控制在一个小的范围，从而调控自旋。另外我们也在一些和石墨烯自旋有关的题目，如石墨烯谷电子学，二维材料特性，量子传输 作了研究，得到很多有用的成果。