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边缘被Mn原子钝化的硅烯纳米带的磁学和输运性质研究
摘要
本文通过第一性原理对一边H原子全部被Mn原子替代的硅烯纳米带化学吸附的影响进行研究。优化的模型分为经典的铁磁耦合和反铁磁耦合，结果显示系统倾向于AFM状态，并且具有半导体性质。并且，我们基于Keldysh非平衡格林函数方法的第一性原理计算研究了模型自旋相关的输运性质。当系统从平行构型转变为反平行构型，自旋向上的电流迅速增加然而自旋向下的电流被抑制。进一步的说，掺杂之后的硅烯纳米带是一个颇好的自旋过滤装置，其自旋过滤效率在一个比较大的电压区间达到了80%。因此，对于这种机制对自旋过滤器件的制备是非常合适的。我们也详细的给出了这些现象的机制原理。
- 引言
近来，硅烯由于其显著的结构和电子性质以及其在纳米电子器件巨大的应用潜力已引起越来越多的研究者的关注。看起来硅烯将是石墨烯很好的替代品，不仅是它与石墨烯相似的结构，而且是因为它与现有硅基电子设备的兼容性[1]。最近相关的实验性研究也已经证明了磷烯片和硅纳米带能够在银衬底上生长[2-5]。硅烯实验制作的实现对探索其性质和潜在的应用开辟了新的途径[6-12]。氢原子钝化的锯齿型硅烯纳米带近来被广泛的研究由于其在纳米器件的潜在应用，比如场效应晶体管等。研究发现硅烯纳米带的氢化改变了固有的硅烯层，其结果是将硅烯一个强间接半导体变成了具有广泛的可调带隙的直接带隙半导体。纯的锯齿型硅烯纳米带[14-16]的电学结构和输运性质与锯齿型石墨烯纳米带[17]相似，锯齿型硅烯纳米带所有的边缘硅原子具有相同的磁矩。众所周知，有以下几种主要的方法改变锯齿型硅烯纳米带的性质：改变边缘[18]；不同位置的杂质掺杂[19-21]；施加电场[22,23]等等。因为硅材料能够被硼（B）或氮（N）掺杂，H.X. Luan等人[24]研究了被B/N结合对掺杂的硅烯纳米带的磁学性质，他们发现从B/N结合对的引入实现了非磁性到自旋极化态的转变。Dong等人[25]研究了Al原子掺杂的锯齿型硅烯纳米带的自选相关的电子特性，他们采用每三个Si原子掺杂一个Al原子在不同的位置，系统变成半金属性；De Padova[26]通过扫描隧道显微镜研究了原子尺度上Mn纳米结构在一维硅纳米带光栅上的生长，并且发现Mn原子在硅原子上表现出优先吸附位置，形成一维纳米结构。
受最近关于硅烯纳米带实验和理论方面的研究进展的影响，在本文中，我们关注于研究边缘被Mn原子钝化的掺杂带给硅烯纳米带的影响。我们详细介绍了它的磁学和输运性质。我们的结果显示，边缘被Mn原子钝化的硅烯纳米带显示出稀磁半导体性质。自旋极化电流随着电压的增大而彼此分开，同时我们也给出了透射谱。并且显示出了颇为可观的自旋过滤效率。因此，我们指出边缘被Mn原子钝化的硅烯纳米带在纳米自旋电子器件的适用性。
- 计算方法和细节
我们基于密度泛函方法和超软赝势进行以自旋非限制的密度泛函理论（DFT）为主的第一性原理计算。所有的数据运行都是在Atomistix 工具包VirtualNanoLab(ATK-VNL)计算模拟软件包下进行[27]。在此计算中，我们采用的是一个锯齿型硅烯纳米带（宽度n = 6）在一个周期中的单元以确保它在一维是无限的。为了确保更好的精确度，我们计算采用的平面波截止能量为150Ry。为了优化晶体结构，获取合理的电子结构，在布里渊区部分我们选取的K点值，在计算态密度部分我们选取的K点值。原子的位置完全放松以改变他们的位置，直到总能量达到的能量收敛的标准。特别地，我们规定纳米带的周期沿着方向。为了防止人工造成的纳米带和其周期性的镜像之间的库伦相互作用，我们在非周期性的方向（即和轴）设置了一个的真空层。除此之外，我们明确的计算了边缘被Mn原子钝化的硅烯纳米带的结合能，为了获取更精确的体系的磁学和输运性质。
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结果和讨论
- 电子特性和磁性特性
首先，我们构建边缘被Mn原子钝化的硅烯纳米带的模型。图1显示了一个硅烯纳米带模型，其中的一边H原子全部被Mn原子替换。优化后的模型显示边缘的键长为，比之前的键长减小了。相反，紧挨着掺杂位置的键增加至。在纯硅烯纳米带中，原子中轨道的重叠导致了键的形成。而在Mn原子钝化的硅烯纳米带中，这些离域键被Mn原子的d轨道饱和，结果边缘的键转变为双键。的键角为，与自由的硅烯纳米带的键角相近。
图1 （a）边缘被Mn原子钝化的硅烯纳米带的结构示意图，矩形图中显示了系统的系统结构优化布置，硅烯纳米带一边的H原子全部被Mn原子替换。（b）关于纯硅烯纳米带的键长和键角的基本晶体参数。（c）边缘被Mn原子钝化的硅烯纳米带的键长和键角的基本晶体参数。黄色、紫色和白色的球分别代表Si、Mn和H原子。
接着，我们开始计算边缘被Mn原子钝化的硅烯纳米带的磁学性能。图2（a）画出了空间自旋密度分布图。图中显示磁性主要分布在Mn原子周围，Si原子上并无磁性。并且，也有文献给出Mn原子掺杂的石墨烯纳米带具有很强的磁性[28]。因此，对于未饱和的Mn原子，其未成对的3d电子有很大的可能性贡献了出现的磁性。接着我们考虑两种典型的磁性结构在我们的锯齿形硅烯纳米带的模型中：（1）铁磁（FM）耦合；（2）反铁磁(AFM耦合。为了选取最稳定的磁态，我们计算了两种耦合情况下的能量。结果显示在AFM耦合下的能量比在FM耦合下的能量低0.56meV，也就是说Mn原子的引入使锯齿形硅烯纳米带更趋向于AFM磁态。随后，我们计算了边缘被Mn原子钝化的硅烯纳米带在AFM耦合态下的与自选相关的能带图，为了理解、分析模型的金属性和半金属性，结果显示如图2（b）。众所周知，硅烯是一个无带隙的具有半导体性能的材料，其导带和价带（键和反键）在费米能级处相交于布里渊区K点[29]。如图2（b）的能带图显示，自旋向上的能带穿过费米能级而自旋向下的能带出现一个很小的0.16eV的带隙，显示了半导体性能。在这种情况下，由于纳米带对称性的破坏电子态是非退化的。这一点与Kan的研究相近，他发现化学性边界的改变能够实现半金属性[30]。电子态退化的打破建立了自旋极化和自旋过滤的可能性。
图2 （a）边缘被Mn原子钝化的硅烯纳米带的自旋密度。当图中的颜色从左边（蓝色）变化为右边（红色）时，自旋密度从零增加至最大值。（b）边缘被Mn原子钝化的硅烯纳米带在AFM耦合下的能带图。自旋向上（下）是黑色（红色）的实线。在0 eV的虚线处显示的是费米能级。
3.2输运性能
首先，我们构建一个有两个电极的探测模型，如图1（a）显示。我们考虑了两种自旋结构：（1）平行结构（P）；（2）反平行结构（AP）。在P结构中，左边电极和右边电极都是自旋向上的极化方向；而在AP结构中，左边电极和右边电极的极化方向是相反的。我们能够得到这两种结构通过使用外部电场。首先我们给出了边缘被Mn原子钝化的硅烯纳米带在零压下，P和AP结构下的自旋密度分布图，如图3（a）、（b）所示。从图中可以看到，磁性分布仍主要集中在Mn原子附近。随后我们给出了边缘被Mn原子钝化的硅烯纳米带的I-V特性曲线，如图4（a）、（b）所示。我们从图中可以看到在P结构中，自旋向上的电流和自旋向下的电流非常接近，也就是说，自旋过滤效应十分的弱。有趣的是，当系统的磁性结构从P结构变为AP结构，自旋向上的电流随着电压的增大迅速增大，而自旋向下的电流随着电压的增大始终被抑制。因此，自旋向上和自旋向下的电流曲线呗很好的分开，完美的自旋过滤效应得以实现。为了分析这个自旋过滤效应，我们计算了AP结构下电压相关的自旋过滤效率（），如图5所示。以自选分离的电流为基础根据以下公式进行计算：
此处， 是指自旋向上的电流，是指自旋向下的电流。从曲线图中我们注意到值达到了80%在0-0.2V的偏压下。特别地，高的自旋过滤效率能够维持在一个比较大的电压区域内。
图3 （a）和（b）分别是在P和AP结构下模型的自旋密度。当颜色从底部（黑色）变化到顶部（白色），自旋密度从零增大至最大值。
图4 （a）和（b）分别是在P和AP结构下模型的电流与偏压的关系。
图5 在AP结构下，随着偏压的增大，系统的变化曲线。
为了更好的解释系统自旋过滤效率的缘由，图6（a）、（b）绘制了一系列系统在AP结构下的自旋向上和自旋向下的透射谱，限压控制在0-0.2V，以0.01V作为一个间隔。这确实是一个比较直观的电子结构和量子输运行为的行为表现。人们普遍认为透射谱对于一个有效的自旋过滤器来说显示了自旋向上和自旋向下通道鉴别性的特征。在图6中，颜色显示了透射谱的数值，红色是最大值黑色意味着零值。两条梯度白色实线限制了电压窗口。从图中可以看到，两幅图中的透射谱的形状和传输峰的位置都随着电压的改变而改变，导致了不同的I-V特性曲线。具体地说，随着电压的增加，在（a）图中，电压窗口有个明显的透射系数的增加，这个导致了电流的增加。而且，（b）图在电压窗口处自旋向下的传输系数比自旋向上更小。
更多详细关于边缘被Mn原子钝化的硅烯纳米带的自旋相关的透射谱的解释在图7被提出。我们选取0.2V电压下、AP结构的系统为例子。图7显示了有关的分子轨道。我们知道，透射谱的大小与分子轨道的数量和分子轨道的离域程度[31]。而且在散射区电子传输量一定程度上与前线分子轨道有关。特别地，处于费米能级附近的最高未占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）对分子器件的影响作用非常重要。从图7（a）中可以看到，原子轨道在自旋向上态比与自旋向下态出现的更多。也就是说，更多的电子隧道运输通道出现在自旋向上态，从而从电极注入的电子有更大的可能性流动穿过中央散射区。因此，费米能级附近出现了相对来说比较高的透射峰。相对的，在自旋向下态的电压窗口仅有LUMO电子，HOMO-LUMO带隙与自旋向上态相比也更大。而文献有记录HOMO-LUMO带隙越大，电子传输越困难[32,33]。所以说系统在自旋向下态电子转移的传导率很低，这个也与透射谱的结论相符合。综上所述，这些结果都说明了自旋过滤效应的出现
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