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随着科学的发展和工艺的进步,人们不断追求着体积更小、运算更快、集成度更高的电子器件。但受多种物理原理的制约,基于传统硅材料的电子器件已难以满足这些要求。石墨烯等二维材料,由于各方面优异的性质,被认为是硅材料的理想替代品。但在二维形态下,这些材料一般不具有磁性,无法在自旋电子器件方面得到应用。因此,本文通过剪裁、边缘修饰、缺陷、掺杂、应力、外加磁场和外加电场等方法,对石墨烯和扶手椅型黑磷纳米管的性质进行调控,并用第一性原理对它们的电磁性质进行计算,从而得到可用于自旋电子器件设计的且性质优异的结构模型。 本论文,首先介绍了二维材料以及对应的一维材料的研究进展,并对本文中采用的理论方法作了简要的说明。然后,通过对石墨烯进行剪裁,设计了具有“圣诞树”形状的的石墨烯纳米带,并通过计算发现所有尺寸的“圣诞树”型石墨烯纳米带均为铁磁基态的磁性半导体。而且,基于该结构的电子器件,可实现拥有100%自旋极化的双自旋过滤效应、整流比高达1010的双自旋二极管效应以及巨磁阻达1010%的自旋阀效应。紧接着,对“圣诞树”型石墨烯纳米带进行了边缘氟化。通过计算得知,用氟原子饱和的“圣诞树”型石墨烯纳米带,其边缘比用氢原子饱和的更加稳定,且氟化后的“圣诞树”型石墨烯纳米带有明显的尺寸效应。比如随着尺寸的改变,它可以是自旋金属、自旋半导体、半金属或自旋无带隙半导体。而且,为自旋金属的氟化“圣诞树”型石墨烯纳米带,在不同的磁型构型下的输运性质,可以表现出极化率达100%的双自旋过滤效应,整流比达1010的双自旋二极管效应和最高达104%的巨磁阻效应。此外,利用多晶石墨烯纳米带异质结中晶界(线缺陷)中缺陷的不同排序,构造出多个石墨烯纳米带异质结。计算发现,晶界(如5-7线缺陷)会在异质结中引入局域磁性,而线缺陷内缺陷的排序不同,会使不同的异质结产生不同的自旋输运。而且,这些异质结在P磁构型和AP磁构型下的输运性质,表现出自旋过滤、自旋整流和巨磁阻等效应。通过分析发现,分子能级和其波函数与透射系数之间的关系,在产生自旋电子透射上起着关键作用。 最后,用过渡金属元素Fe、Co和Ni对扶手椅型磷纳米管其进行了替代型掺杂。计算结果表明,掺杂元素和掺杂位置对纳米管的性质有重要影响。如内层掺杂时,只有Ni掺杂的纳米管的能带发生自旋分裂且表现出半金属特性,而Fe和Co掺杂后的纳米管表现为无磁性,分别为金属和半导体。外层掺杂时,三种元素均能给纳米管引入磁性,且表现出磁半导体和自旋半导体的特性。我们还讨论了外加电场和外加应力对磷纳米管作用。 总的来说,研究了多个纳米结构的电磁性质,期望能为其他研究者后续的研究工作,特别是实验研究提供参考和思路。