QuantumATK在自旋热电子学研究中的应用

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概述

自旋电子学是关于凝聚态物质和器件中的电子自旋和电荷如何耦合输运的。最近活跃的自旋热电子学领域主要关注自旋与热流的相互作用,目标是新发现的物理效应和改进现有热电器件的策略,以便在热传感器和废热回收装置中获得应用。已知的现象要么被归类为金属中的独立电子效应(如自旋相关的塞贝克效应),可以通过两个具有不同热电性质的平行自旋传输通道模型来理解,要么被归类为也存在于绝缘铁磁体中的由自旋波引起的集体效应(如自旋塞贝克效应)。QuantumATK中完善的器件模型、自旋相关以及电声耦合等方面的方法在这类体系和现象研究中有独特优势。

界面电荷转移掺杂对黑磷烯-F4TCNQ纳米器件热电输运性能的影响

利用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)结合非平衡格林函数(NEGF)方法,系统的研究了扶手椅型和锯齿型黑磷纳米带(APNR 和 ZPNR)的热电输运特性,以及 F4TCNQ 分子在其表面的物理吸附。结果表明,APNR/F4TCNQ 体系为 p 型半导体,由于表面电荷从 APNR 转移到 F4TCNQ,APNR 体系的价带边缘移到了费米能级。与纯 APNR 相比,F4TCNQ 吸附的 APNR 的热功率从 270.8 μV/K 增加到 1063 μV/K,这是由于费米能级附近共振能级的出现导致的态密度增加。此外,界面耦合和量子干涉效应显著抑制了A/ZPNR+F4TCNQ 体系的声子热导,室温下,当 μ=−0.5 eV 时,热电优值达 0.72。这项工作为高性能二维有机-无机纳米器件在热电领域的广泛应用提供了可能,也为开发实际应用中的自组装电子器件提供了理论参考。

  • Dong, Jiwei, Bei Zhang, Shidong Zhang, Yaoxing Sun, and Mengqiu Long. “Effects of interface charge-transfer doping on thermoelectric transport properties of black phosphorene-F4TCNQ nanoscale devices.” Applied Surface Science 579 (2022): 152155. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.152155

金属吸附的蓝磷烯纳米带的理想自旋滤波效应、隧道磁阻效应和热电效应

利用第一性原理方法研究了铁和钛吸附的蓝磷烯纳米带的热电输运特性。研究表明,铁和钛吸附的蓝磷烯纳米带表现出自旋相关的塞贝克效应。基于铁吸附的蓝磷烯纳米带的器件显示出 100% 的自旋极化和 106%的隧道磁电阻所产生的完美的自旋过滤效果。钛吸附的蓝色磷烯纳米带的自旋上升电流和自旋下降电流是反向的,这表明可以产生大的自旋电流和小的电荷电流。这些体系还表现出由电流-电压曲线上的负微分电阻。利用能带结构和输运谱可以解释自旋流产生的物理机制。金属吸附的蓝色磷烯纳米带是一种新型热电材料,可用于制造多功能热自旋电子器件。

  • Zheng, Changdong, Kaiming Wu, Ke Jiang, Kailun Yao, Sicong Zhu, and Yan Lu. “Perfect spin filtering effect, tunnel magnetoresistance and thermoelectric effect in metals-adsorbed blue phosphorene nanoribbons.” Physica B: Condensed Matter 626 (2022): 413580. https://doi.org/10.1016/j.physb.2021.413580

基于量子干涉的石墨烯纳米带电极夹心铝卟啉的磁热电性能

受自旋滤波效率提高热电性能的机制启发,作者研究了铝卟啉分子结在不同温度下与铁磁石墨烯电极接触时的磁热电性能。结果表明,自旋相关塞贝克系数大于电荷相关的塞贝克系数,在 0.25 eV 下,铝卟啉分子结的自旋相关功率因子约为 0.3pW/K2。铁磁电极有效地实现了石墨烯电极和中心非磁性铝卟啉分子之间的自旋相关量子干涉效应(SQI)所引起的热自旋滤波效应(SFE)。这些结果表明了铝卟啉分子结在自旋热电子学中的应用前景。

  • Zhang, Bei, Shidong Zhang, and Mengqiu Long. “Magnetothermoelectric properties of Al-Porphyrin sandwiched by graphene nanoribbon electrode based on quantum interference.” Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 139 (2022): 115189. https://doi.org/10.1016/j.physe.2022.115189

基于扶手椅式石墨烯纳米带的自旋热电子学

扶手椅型石墨烯纳米带由于缺乏固有磁性,被认为不适合用于自旋热电子学应用。受 Janus edge(Bets等,2019)碳纳米管制备进展的启发,作者构建了 Janus edge 石墨烯纳米带,其中一条边为扶手椅型,另一条边具有锯齿形扶手椅或锯齿形子边的三角形突出物。通过第一性原理计算,发现了自旋-塞贝克效应。进一步的分析表明,这是由温度差触发的两个电极之间费米分布的差异和特殊的透射谱造成的,其中两个自旋相反的透射峰离散的位于费米能级的两侧。这两个峰分别由费米能级上方和下方自旋相反的对应带贡献。

  • Zeng, Hong-Li, Li Yang, Yan-Dong Guo, Jing-Jing He, Yue Jiang, Li-Yan Lin, and Xiao-Hong Yan. “Armchair graphene nanoribbon-based spin caloritronics.” Physics Letters A 426 (2022): 127892. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2021.127892

使用具有锯齿形和克莱因边缘的锗烷纳米带研究了磁诱导和热诱导自旋相关输运特性

此工作利用第一性原理计算和非平衡格林函数研究了具有锯齿形和克莱因边的锗烷纳米带(ZKGeNRs)的磁和热诱导自旋相关输运特性。结果表明,不同宽度(N)的 ZKGeNRs 处于不同的自旋分辨电子态。通过将宽度参数N从4增加到9,ZKGeNR 从间接带隙双极磁半导体态(BMS)转变为双极自旋无隙半导体(BSGS),最后转变为铁磁金属(FM)。此外,由于 ZKGeNRs 器件的左右温度不同,自旋向上和自旋向下的电流方向相反,证明了自旋相关的塞贝克效应(SDSE)。此外,阈值温度随着 N 的增加而降低,然后消失,而自旋电流随着N的增加而增加。仿真结果表明,ZKGeNR 是自旋热电子器件的合适选择,可用于未来的低功耗应用。

  • Xu, Gang, Xingyi Tan, and Dahua Ren. “The Magnetic and Thermally-Induced Spin-Related Transport Features Using Germanene Nanoribbons With Zigzag and Klein Edges.” Frontiers in Physics (2022): 55. https://doi.org/10.3389/fphy.2022.843273

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