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石墨烯是碳原子按六角结构排列而成的单层晶格体系。它优异的物理性质,如高断裂强度、高迁移率、高透光性等,使之迅速成为基础理论与应用研究的热点之一。石墨烯纳米器件输运性质的研究不仅能够帮助我们理解基础的物理机制,而且对应用器件设计有重要的指导意义。本论文主要研究了石墨烯纳米结构的电子输运性质。主要的研究结果及创新点如下:
1.利用传输矩阵方法,研究了石墨烯多量子阱结构的电子共振隧穿特性。当载流子垂直入射时,由于石墨烯“赝自旋”守恒的要求,背散射被完全抑制,出现了Klin隧穿,它与量子阱结构和个数无关。而当斜入射时,透射带隙中出现了几组完全透射峰,称之为“透射窗口”。透射窗口的形成源于石墨烯多量子阱结构中共振能级之间的相互耦合,而每个窗口的子峰个数与量子阱个数相同,带隙中窗口的分布由量子阱宽度决定。随着量子阱宽度增大,共振能级增多,透射窗口的分布就越密集。多量子阱结构使各向异性的相干效应加强,导致非零透射率角度区域减小。这种共振特性同时也引起了电导的振荡行为。
2.利用随机相位模拟无序效应,与传输矩阵方法相结合,研究了无序效应对石墨烯量子阱输运性质的影响。这一方法可研究从弹道输运到扩散极限下各种程度的无序效应。当载流子垂直入射时,任何程度的无序效应对Klein隧穿都没有产生影响。而当斜入射时,石墨烯量子阱中的共振峰被抑制,抑制程度随无序效应的增强而增大。而且,透射谱中出现骤降点,这源于势垒内传播方向波矢为零,随机相位在总相位中占主要地位,导致透射率下降。在强无序条件下,透射率与电导出现了由统计平均产生的无规涨落。
3.采用Floquet定理和Green函数方法,研究了超导体一石墨烯一超导体(SGS)异质结的交流Josephson效应。通过栅压调整载流子浓度,SGS异质结的直流分量中出现了幅度可调的负微分电导现象。与传统的Josephson结十分类似,直流电流中还出现了丰富的亚谐波带隙结构,这源于多重Andreev反射。随外加偏压增大,交流项呈现振荡特性,一阶交流项趋于一个有限值,而高阶交流项趋于零。当偏压较低时,高阶交流项对总电流的贡献不能忽略,它们使总电流的演化偏离了简单的正弦关系。SGS异质结可调谐的负微分电导特性对设计石墨烯太赫兹振荡源有一定的指导意义。
4.考虑纳米带诱导产生的带隙,研究了含带隙的石墨烯扶手椅型纳米带的输运性质。随着石墨烯纳米带宽度的减小,带隙与横向离散波矢都逐渐增大,多模传输所需的能量阈值也增大。当高宽比比较小时,带隙完全改变了金属型扶手椅纳米带在Dirac点附近的性质,电导率从几个4e2/πh变成了零,Fano因子从零变成了1.当高宽比很大时,和无带隙的情形一样,含带隙的纳米带在Dirac点具有电导率趋于4e2/πh和Fano因子趋于1/3的性质。当高宽比一定时,含带隙的扶手椅纳米带在Dirac点的电导率小于无带隙时的最小电导率4e2/πh,Fano因子大于无带隙时的1/3.