碳纳米管的结构与电子输运特性
碳纳米管作为纳米体系的典型材料之一,其独特的几何结构和物理性质,使其在纳电子学领域,以及未来的量子器件中都可能有重要应用。本论文对碳纳米管结构的输运特性进行了研究,主要分析了碳纳米管相应结构体系的局域电子结构和电导,并对得到的结果进行了详细的讨论和解释。我们在π电子紧束缚模型下处理平行碳纳米管结,使用耦合参数来描述平行碳纳米管间的耦合。
研究发现,电导值随着耦合强度和耦合长度的变化均呈现出振荡行为。针对结区域局域态密度的计算表明,电导的振荡与局域态密度的空间涨落程度密切相关。通过进一步分析,我们指出电导的振荡正是由结区域的局域电子结构造成的散射所引起的。我们从与二维电子气中的自旋轨道耦合的机制类比出发,分析了碳纳米管中由吸附原子/团簇引起的Rashba自旋轨道耦合,讨论了Rashba项对电子输运的影响。研究发现,自旋轨道耦合的出现破坏了费米面处能级的轨道简并。当耦合强度足够大时,会引起电导峰的劈裂。基于碳纳米管的磁隧穿结的自旋阀效应也因为自旋轨道耦合的出现而有所改变。碳纳米管和铁磁电极间的接触耦合强度强烈影响着磁隧穿磁阻,不同的接触耦合强度使磁隧穿磁阻随自旋耦合强度的变化表现出很不同的行为。这些现象均可归因为自旋轨道耦合效应引起的自旋翻转,以及费米面处电导峰的劈裂。
我们采用Anderson模型研究了有限温度下碳纳米管中的磁性杂质引起的Kondo效应对输运性质的影响。磁性杂质在费米面附近引起一个Kondo共振峰,相应电导函数出现一个谷。随着温度的升高,Kondo共振峰和电导谷慢慢消去,而总电导随之逐渐增加。基于Mott关系,我们还研究了含有磁杂质时碳纳米管的热电势。由于Kondo共振的出现,热电势在费米面附近会改变符号。在低温区,热电势随温度的升高而增加,在达到一个峰值后转而下降。我们按照 Kondo温度重新标度横轴得到了热电势对绝对温度的依赖关系,发现可很好的解释实验中的测量结果。