基于第一性原理的硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)的深度剖析與探索一、引言1.1研究背景與意義隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)電子器件性能的要求不斷提高，納米電子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生并成為研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。在納米尺度下，材料的物理性質(zhì)與宏觀狀態(tài)下有著顯著差異，電子的量子效應(yīng)和自旋特性變得尤為重要。自旋作為電子的內(nèi)稟屬性，與電荷一樣承載著信息，自旋電子學(xué)正是基于電子自旋自由度，致力于開發(fā)新型電子器件，以實(shí)現(xiàn)信息的高效存儲(chǔ)、處理和傳輸。硅烯（Silicene）作為一種新興的二維材料，由硅原子呈蜂窩狀排列構(gòu)成，因其獨(dú)特的物理性質(zhì)，在納米電子學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。硅烯與石墨烯結(jié)構(gòu)相似，但具有一些石墨烯所不具備的優(yōu)勢(shì)，例如它具有本征帶隙，這克服了石墨烯零帶隙導(dǎo)致其在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中的局限性。在外部垂直電場(chǎng)下，硅烯的帶隙還具有可調(diào)節(jié)性，使其在晶體管、邏輯電路、傳感器等納米電子器件中極具應(yīng)用前景。硅烯納米帶（SiliceneNanoribbons，SiNRs）是硅烯的一維衍生物，由于量子限域效應(yīng)和邊界效應(yīng)，其電學(xué)、光學(xué)和自旋相關(guān)性質(zhì)表現(xiàn)出與體硅烯不同的特性。通過控制硅烯納米帶的寬度、邊緣結(jié)構(gòu)以及外部電場(chǎng)等因素，可以有效調(diào)節(jié)其電子結(jié)構(gòu)和自旋極化特性，為實(shí)現(xiàn)高性能的自旋電子器件提供了可能。研究硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)性質(zhì)，對(duì)于深入理解低維材料中自旋相關(guān)的物理過程，以及開發(fā)基于硅烯納米帶的新型自旋電子器件具有至關(guān)重要的意義。從理論研究角度來看，第一性原理計(jì)算方法基于量子力學(xué)原理，能夠從原子尺度對(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)進(jìn)行精確計(jì)算，為研究硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)性質(zhì)提供了有力工具。通過第一性原理計(jì)算，可以深入探究硅烯納米帶中自旋極化的產(chǎn)生機(jī)制、自旋輸運(yùn)過程中的散射機(jī)制以及外部因素對(duì)自旋輸運(yùn)性質(zhì)的影響，從而為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)和預(yù)測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用方面，自旋電子器件相較于傳統(tǒng)電子器件，具有非易失性、低功耗、高速讀寫等優(yōu)勢(shì)。若能成功開發(fā)基于硅烯納米帶的自旋電子器件，將有望推動(dòng)信息技術(shù)朝著更小尺寸、更低功耗、更高性能的方向發(fā)展，在計(jì)算機(jī)芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信等領(lǐng)域帶來新的突破。例如，利用硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)特性制備的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可能具有更高的開關(guān)速度和更低的功耗，能夠顯著提升集成電路的性能；基于硅烯納米帶的自旋存儲(chǔ)器件，則有望實(shí)現(xiàn)更高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和更快的數(shù)據(jù)讀寫速度。綜上所述，本研究聚焦于硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)的第一性原理研究，旨在揭示硅烯納米帶中自旋相關(guān)的物理規(guī)律，為其在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)納米電子學(xué)的發(fā)展和新型電子器件的研發(fā)具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)的研究在國內(nèi)外均受到廣泛關(guān)注，眾多科研團(tuán)隊(duì)從理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等多個(gè)角度開展研究工作，取得了一系列具有重要價(jià)值的成果。在國外，早在硅烯被成功制備后不久，研究人員便開始關(guān)注其納米帶結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性質(zhì)。理論計(jì)算方面，[國外研究團(tuán)隊(duì)1]運(yùn)用第一性原理方法，對(duì)不同寬度和邊緣結(jié)構(gòu)的硅烯納米帶的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致計(jì)算，發(fā)現(xiàn)鋸齒型硅烯納米帶（ZigzagSiliceneNanoribbons，Z-SiNRs）在特定條件下展現(xiàn)出自旋極化特性，其邊緣原子的未配對(duì)電子導(dǎo)致了凈磁矩的產(chǎn)生，為自旋相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。[國外研究團(tuán)隊(duì)2]通過進(jìn)一步的理論模擬，研究了硅烯納米帶中的自旋軌道耦合效應(yīng)，揭示了自旋軌道耦合對(duì)自旋極化方向和強(qiáng)度的影響機(jī)制，指出自旋軌道耦合可以作為調(diào)控硅烯納米帶自旋性質(zhì)的有效手段。在實(shí)驗(yàn)研究上，[國外研究團(tuán)隊(duì)3]利用分子束外延技術(shù)（MBE）成功制備出高質(zhì)量的硅烯納米帶，并借助掃描隧道顯微鏡（STM）和角分辨光電子能譜（ARPES）等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)其電子結(jié)構(gòu)和自旋特性進(jìn)行了直接觀測(cè)，為理論研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究也緊跟國際步伐，取得了顯著進(jìn)展。在理論研究領(lǐng)域，[國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)1]采用基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理結(jié)合非平衡格林函數(shù)（NEGF）方法，系統(tǒng)地研究了硅烯納米帶與金屬電極接觸時(shí)的自旋輸運(yùn)特性，發(fā)現(xiàn)界面處的原子排列和電子相互作用對(duì)自旋注入效率和自旋輸運(yùn)的穩(wěn)定性有著關(guān)鍵影響。[國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)2]深入探究了電場(chǎng)調(diào)控下硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)行為，理論預(yù)測(cè)通過施加外部電場(chǎng)，可以有效調(diào)節(jié)硅烯納米帶的帶隙和自旋極化程度，為實(shí)現(xiàn)基于硅烯納米帶的電場(chǎng)可控自旋電子器件提供了理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)方面，[國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)3]利用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法在特定襯底上生長硅烯納米帶，并通過微加工技術(shù)制備出基于硅烯納米帶的自旋閥結(jié)構(gòu)，成功測(cè)量了其自旋相關(guān)的輸運(yùn)特性，觀察到明顯的自旋極化電流和磁電阻效應(yīng)。盡管國內(nèi)外在硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)研究方面已取得豐碩成果，但仍存在一些不足之處。首先，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量之間存在一定的差距。理論計(jì)算往往基于一些理想假設(shè)，如完美的晶體結(jié)構(gòu)、無雜質(zhì)和缺陷等，而實(shí)際制備的硅烯納米帶不可避免地存在各種缺陷和雜質(zhì)，這使得理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值難以完全吻合。其次，對(duì)硅烯納米帶與其他材料復(fù)合體系的自旋輸運(yùn)性質(zhì)研究還相對(duì)較少，如何通過與其他材料的復(fù)合來進(jìn)一步優(yōu)化硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)性能，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，是亟待解決的問題。此外，目前對(duì)于硅烯納米帶在復(fù)雜環(huán)境下（如高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)等）的自旋輸運(yùn)穩(wěn)定性研究也不夠深入，而這對(duì)于其在實(shí)際器件中的應(yīng)用至關(guān)重要。1.3研究內(nèi)容與方法本研究主要圍繞硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)性質(zhì)展開，運(yùn)用第一性原理方法進(jìn)行深入探究，旨在揭示硅烯納米帶自旋相關(guān)的物理機(jī)制，為其在自旋電子器件中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。具體研究內(nèi)容和方法如下：1.3.1研究內(nèi)容硅烯納米帶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與電子結(jié)構(gòu)計(jì)算：構(gòu)建不同寬度和邊緣結(jié)構(gòu)（鋸齒型Z-SiNRs、扶手椅型ArmchairSiliceneNanoribbons，A-SiNRs）的硅烯納米帶模型。采用基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算方法，對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其達(dá)到能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，精確計(jì)算硅烯納米帶的電子結(jié)構(gòu)，包括能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度分布等，分析電子在納米帶中的分布和能量狀態(tài)，為后續(xù)自旋輸運(yùn)性質(zhì)研究奠定基礎(chǔ)。通過對(duì)比不同寬度和邊緣結(jié)構(gòu)的硅烯納米帶的電子結(jié)構(gòu)，探究量子限域效應(yīng)和邊緣效應(yīng)如何影響其電子特性，明確結(jié)構(gòu)參數(shù)與電子結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系。硅烯納米帶的自旋極化特性研究：著重研究硅烯納米帶的自旋極化現(xiàn)象，分析自旋極化產(chǎn)生的物理機(jī)制。針對(duì)鋸齒型硅烯納米帶，由于其邊緣原子的特殊排列方式，存在未配對(duì)電子，導(dǎo)致邊緣處出現(xiàn)凈磁矩，從而產(chǎn)生自旋極化。通過第一性原理計(jì)算，深入研究邊緣原子的電子軌道雜化、自旋-軌道耦合等因素對(duì)自旋極化的影響。探究不同寬度的鋸齒型硅烯納米帶的自旋極化強(qiáng)度和方向隨結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律，尋找實(shí)現(xiàn)可控自旋極化的結(jié)構(gòu)條件。此外，研究外部電場(chǎng)對(duì)硅烯納米帶自旋極化特性的調(diào)控作用，通過施加不同強(qiáng)度和方向的外部電場(chǎng)，觀察自旋極化強(qiáng)度、方向以及自旋極化能帶的變化，揭示電場(chǎng)調(diào)控自旋極化的物理本質(zhì)，為基于硅烯納米帶的電場(chǎng)調(diào)控自旋電子器件設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)性質(zhì)研究：運(yùn)用第一性原理結(jié)合非平衡格林函數(shù)（NEGF）方法，研究硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)性質(zhì)。計(jì)算不同偏壓下硅烯納米帶的自旋相關(guān)電流、自旋極化率以及磁電阻等輸運(yùn)參數(shù)，分析自旋電流在納米帶中的傳輸過程和自旋極化的變化情況。探究自旋-軌道耦合、雜質(zhì)、缺陷等因素對(duì)自旋輸運(yùn)的散射機(jī)制，以及它們?nèi)绾斡绊懽孕斶\(yùn)的效率和穩(wěn)定性。例如，自旋-軌道耦合會(huì)導(dǎo)致自旋方向的改變，從而增加自旋散射，降低自旋輸運(yùn)效率；雜質(zhì)和缺陷的存在會(huì)破壞納米帶的周期性結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生額外的散射中心，影響自旋電流的傳輸。通過模擬計(jì)算，量化這些因素對(duì)自旋輸運(yùn)性質(zhì)的影響程度，為提高硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性能提供理論依據(jù)。此外，研究硅烯納米帶與金屬電極接觸時(shí)的自旋注入和輸運(yùn)特性，分析界面處的原子排列、電子相互作用對(duì)自旋注入效率和自旋輸運(yùn)穩(wěn)定性的影響，探索優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)以提高自旋注入效率和改善自旋輸運(yùn)性能的方法。硅烯納米帶復(fù)合體系的自旋輸運(yùn)性質(zhì)研究：構(gòu)建硅烯納米帶與其他材料（如石墨烯、過渡金屬氧化物等）組成的復(fù)合體系模型。研究復(fù)合體系中不同材料之間的界面相互作用對(duì)硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)的影響，分析界面處的電荷轉(zhuǎn)移、電子軌道耦合等因素如何改變自旋極化和自旋輸運(yùn)特性。通過第一性原理計(jì)算，探索通過復(fù)合體系設(shè)計(jì)來優(yōu)化硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性能的可能性，例如，利用石墨烯與硅烯納米帶的復(fù)合，借助石墨烯優(yōu)異的電學(xué)性能和高載流子遷移率，改善硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)效率；或者通過與具有特定磁學(xué)性質(zhì)的過渡金屬氧化物復(fù)合，引入新的自旋相關(guān)相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅烯納米帶自旋輸運(yùn)的多重調(diào)控。研究不同復(fù)合方式和復(fù)合比例下復(fù)合體系的自旋輸運(yùn)性質(zhì)變化規(guī)律，為開發(fā)基于硅烯納米帶復(fù)合體系的新型自旋電子器件提供理論支持。1.3.2研究方法第一性原理計(jì)算方法：本研究以第一性原理計(jì)算作為核心方法，其基于量子力學(xué)的基本原理，從電子和原子核的相互作用出發(fā)，不依賴任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，能夠精確計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。在計(jì)算過程中，采用平面波贗勢(shì)方法（PWPM），將電子的波函數(shù)用平面波基組展開，通過求解Kohn-Sham方程得到體系的電子密度和能量。選用廣義梯度近似（GGA）來處理電子交換關(guān)聯(lián)能，該近似考慮了電子密度的梯度效應(yīng)，能夠較為準(zhǔn)確地描述材料的電子結(jié)構(gòu)。對(duì)于硅烯納米帶體系，通過設(shè)定合適的超胞和k點(diǎn)網(wǎng)格，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和收斂性。利用第一性原理計(jì)算軟件（如VASP、QuantumESPRESSO等）進(jìn)行具體計(jì)算，這些軟件具有高效、準(zhǔn)確的計(jì)算能力，并且提供了豐富的功能和模塊，能夠滿足對(duì)硅烯納米帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電子結(jié)構(gòu)計(jì)算以及自旋相關(guān)性質(zhì)研究的需求。非平衡格林函數(shù)方法：為了研究硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)性質(zhì)，將第一性原理與非平衡格林函數(shù)（NEGF）方法相結(jié)合。NEGF方法是處理量子輸運(yùn)問題的有力工具，它能夠在考慮體系與電極耦合的情況下，計(jì)算電子在體系中的輸運(yùn)特性。在本研究中，將硅烯納米帶視為中心散射區(qū)，兩端連接金屬電極，通過求解格林函數(shù)和電流公式，得到自旋相關(guān)的電流、自旋極化率等輸運(yùn)參數(shù)。在計(jì)算過程中，考慮了電子的彈性散射和非彈性散射過程，以及自旋-軌道耦合等因素對(duì)電子輸運(yùn)的影響。利用基于NEGF方法的計(jì)算軟件包（如ATK、Transiesta等），實(shí)現(xiàn)對(duì)硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)的模擬計(jì)算，這些軟件能夠與第一性原理計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)從原子結(jié)構(gòu)到輸運(yùn)性質(zhì)的全流程計(jì)算。理論分析與模型構(gòu)建：在研究過程中，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行深入的理論分析，結(jié)合相關(guān)的物理理論和模型，揭示硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)的內(nèi)在物理機(jī)制。例如，運(yùn)用能帶理論分析硅烯納米帶的電子結(jié)構(gòu)和自旋極化特性，通過分析能帶的色散關(guān)系、帶隙大小以及自旋劈裂情況，理解自旋極化的產(chǎn)生和變化規(guī)律。利用散射理論研究自旋輸運(yùn)過程中的散射機(jī)制，通過計(jì)算散射矩陣和透射系數(shù)，分析自旋-軌道耦合、雜質(zhì)、缺陷等因素對(duì)自旋輸運(yùn)的影響。此外，構(gòu)建簡化的物理模型，對(duì)復(fù)雜的物理現(xiàn)象進(jìn)行定性分析和解釋，幫助深入理解硅烯納米帶自旋輸運(yùn)的物理過程。例如，構(gòu)建緊束縛模型來描述硅烯納米帶中的電子運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)整模型參數(shù)，研究電子在不同結(jié)構(gòu)和外場(chǎng)條件下的行為，為第一性原理計(jì)算結(jié)果提供理論補(bǔ)充和驗(yàn)證。二、理論基礎(chǔ)2.1第一性原理概述2.1.1基本原理第一性原理，又稱從頭算，是基于量子力學(xué)的基本原理，從電子和原子核的相互作用出發(fā)，不依賴任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，直接求解體系薛定諤方程的計(jì)算方法。其核心在于將多電子體系視為由電子和原子核組成的量子系統(tǒng)，通過求解薛定諤方程來獲取體系的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。對(duì)于一個(gè)包含N個(gè)電子和M個(gè)原子核的體系，其哈密頓量H可以表示為：H=\sum_{i=1}^{N}\left(-\frac{\hbar^{2}}{2m_{e}}\nabla_{i}^{2}-\sum_{\alpha=1}^{M}\frac{Z_{\alpha}e^{2}}{r_{i\alpha}}\right)+\frac{1}{2}\sum_{i\neqj}^{N}\frac{e^{2}}{r_{ij}}+\sum_{\alpha=1}^{M}\left(-\frac{\hbar^{2}}{2m_{\alpha}}\nabla_{\alpha}^{2}\right)+\frac{1}{2}\sum_{\alpha\neq\beta}^{M}\frac{Z_{\alpha}Z_{\beta}e^{2}}{R_{\alpha\beta}}其中，第一項(xiàng)表示電子的動(dòng)能，第二項(xiàng)表示電子與原子核之間的庫侖吸引能，第三項(xiàng)表示電子-電子之間的庫侖排斥能，第四項(xiàng)表示原子核的動(dòng)能，第五項(xiàng)表示原子核-原子核之間的庫侖排斥能。\hbar是約化普朗克常數(shù)，m_{e}和m_{\alpha}分別是電子和原子核\alpha的質(zhì)量，Z_{\alpha}是原子核\alpha的電荷數(shù)，r_{i\alpha}是電子i與原子核\alpha之間的距離，r_{ij}是電子i和j之間的距離，R_{\alpha\beta}是原子核\alpha和\beta之間的距離。然而，直接求解多電子體系的薛定諤方程H\Psi=E\Psi是極其困難的，因?yàn)殡娮又g存在復(fù)雜的相互作用，使得波函數(shù)\Psi是一個(gè)包含3N個(gè)變量（每個(gè)電子有三個(gè)空間坐標(biāo)）的高維函數(shù)。為了簡化計(jì)算，通常引入一些近似方法，如絕熱近似（Born-Oppenheimerapproximation）和單電子近似。絕熱近似基于原子核質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量這一事實(shí)，認(rèn)為在電子快速運(yùn)動(dòng)過程中，原子核幾乎靜止不動(dòng)。這樣可以將電子和原子核的運(yùn)動(dòng)分開處理，先求解固定原子核位置下的電子結(jié)構(gòu)，再考慮原子核的運(yùn)動(dòng)。在絕熱近似下，體系的總能量可以表示為電子能量與原子核之間相互作用能之和。單電子近似則是將多電子體系中的每個(gè)電子視為在其他電子和原子核所產(chǎn)生的平均勢(shì)場(chǎng)中獨(dú)立運(yùn)動(dòng)?；谶@一近似，哈特里-?？耍℉artree-Fock，HF）方法將多電子波函數(shù)表示為單電子波函數(shù)的行列式形式（斯萊特行列式），通過迭代自洽求解單電子的HF方程，得到體系的電子結(jié)構(gòu)。但HF方法只考慮了電子之間的交換能，忽略了相關(guān)能，導(dǎo)致計(jì)算精度存在一定局限性。為了更準(zhǔn)確地描述電子之間的相互作用，密度泛函理論（DensityFunctionalTheory，DFT）應(yīng)運(yùn)而生。DFT的核心思想是將體系的基態(tài)能量表示為電子密度的泛函，而不是波函數(shù)。Hohenberg和Kohn證明了兩個(gè)基本定理：一是體系的基態(tài)能量是電子密度的唯一泛函；二是在外部勢(shì)場(chǎng)作用下，使能量泛函取最小值的電子密度就是體系的基態(tài)電子密度?；谶@些定理，Kohn和Sham提出了Kohn-Sham方程，通過引入無相互作用的參考體系，將多電子問題轉(zhuǎn)化為求解一組單電子方程。在Kohn-Sham方程中，交換關(guān)聯(lián)能是通過近似泛函來描述的，常用的近似泛函包括局域密度近似（LocalDensityApproximation，LDA）和廣義梯度近似（GeneralizedGradientApproximation，GGA）等。LDA假設(shè)交換關(guān)聯(lián)能只與電子密度的局域值有關(guān)，而GGA則進(jìn)一步考慮了電子密度的梯度效應(yīng)，能夠更準(zhǔn)確地描述體系的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。2.1.2計(jì)算方法與軟件在基于第一性原理的計(jì)算中，平面波贗勢(shì)方法（PWPM）是一種常用的計(jì)算方法。該方法將電子的波函數(shù)用平面波基組展開，平面波具有形式簡單、易于計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)。由于平面波在整個(gè)空間中是均勻分布的，對(duì)于描述原子核附近電子的強(qiáng)束縛態(tài)存在困難，因此引入贗勢(shì)來替代原子核與內(nèi)層電子對(duì)價(jià)電子的相互作用。贗勢(shì)的構(gòu)建使得在保持計(jì)算精度的同時(shí)，能夠顯著減少平面波基組的數(shù)量，提高計(jì)算效率。在平面波贗勢(shì)方法中，通過求解Kohn-Sham方程得到體系的電子密度和能量，計(jì)算過程中需要對(duì)平面波基組進(jìn)行截?cái)?，選擇合適的截?cái)嗄芰恳员ＷC計(jì)算結(jié)果的收斂性。除了平面波贗勢(shì)方法，還有全電子方法，如全勢(shì)線性綴加平面波方法（Full-PotentialLinearizedAugmentedPlaneWave，F(xiàn)P-LAPW）。FP-LAPW方法將空間分為兩部分：以原子核為中心的球形區(qū)域（Muffin-Tin區(qū)域）和球間區(qū)域。在Muffin-Tin區(qū)域內(nèi)，采用線性綴加平面波作為基函數(shù)來描述電子波函數(shù)；在球間區(qū)域，則使用平面波展開。這種方法能夠精確處理原子核附近的電子態(tài)，計(jì)算精度較高，但計(jì)算量也相對(duì)較大，通常適用于對(duì)精度要求極高的體系計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算中，有許多功能強(qiáng)大的計(jì)算軟件可供選擇。VASP（ViennaAb-initioSimulationPackage）是一款廣泛應(yīng)用的基于第一性原理的計(jì)算軟件，它采用平面波贗勢(shì)方法，結(jié)合投影綴加波（Projector-AugmentedWave，PAW）方法來描述原子勢(shì)，能夠高效準(zhǔn)確地計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)和各種物理性質(zhì)。VASP可以處理多種體系，包括分子、晶體、表面、納米結(jié)構(gòu)等，并且支持周期性邊界條件，在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，在研究硅烯納米帶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電子結(jié)構(gòu)計(jì)算中，VASP能夠通過精確的能量計(jì)算，找到體系的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并給出準(zhǔn)確的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度信息。QuantumESPRESSO也是一款基于平面波贗勢(shì)方法的開源計(jì)算軟件。它提供了豐富的功能，包括基態(tài)計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)模擬、電子結(jié)構(gòu)計(jì)算、光學(xué)性質(zhì)計(jì)算等。QuantumESPRESSO具有良好的并行性能，能夠在大規(guī)模集群上高效運(yùn)行，適用于處理復(fù)雜的多原子體系。在研究硅烯納米帶與金屬電極接觸的自旋輸運(yùn)性質(zhì)時(shí)，可以利用QuantumESPRESSO計(jì)算體系的電子結(jié)構(gòu)，為后續(xù)結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法計(jì)算自旋輸運(yùn)性質(zhì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。MaterialsStudio是一款集成了多種材料模擬功能的商業(yè)軟件，其中CASTEP（CambridgeSerialTotalEnergyPackage）模塊基于第一性原理，采用平面波贗勢(shì)方法進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)計(jì)算。CASTEP具有友好的圖形用戶界面，方便用戶進(jìn)行模型構(gòu)建、參數(shù)設(shè)置和結(jié)果分析。它能夠計(jì)算材料的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)等多種物理性質(zhì)，在材料科學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于初學(xué)者而言，MaterialsStudio的CASTEP模塊因其操作簡便，有助于快速上手進(jìn)行第一性原理計(jì)算研究硅烯納米帶相關(guān)性質(zhì)。2.2自旋輸運(yùn)理論2.2.1自旋相關(guān)的基本概念自旋是電子的內(nèi)稟屬性，可類比為電子繞自身軸的旋轉(zhuǎn)，它具有固定的大小，其取值為\pm\frac{1}{2}，分別對(duì)應(yīng)著“上旋”和“下旋”兩種狀態(tài)。與電子的電荷屬性不同，自旋賦予了電子一個(gè)內(nèi)稟磁矩，這使得電子在外部磁場(chǎng)中會(huì)受到額外的相互作用。在自旋電子學(xué)中，自旋作為信息的載體，其獨(dú)特的性質(zhì)為信息的存儲(chǔ)、處理和傳輸帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。自旋軌道耦合（Spin-OrbitCoupling，SOC）是指電子的自旋角動(dòng)量與軌道角動(dòng)量之間的相互作用。從微觀角度來看，當(dāng)電子在原子核的電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于相對(duì)論效應(yīng)，電子會(huì)感受到一個(gè)與自身運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)與電子的自旋磁矩相互作用，從而產(chǎn)生自旋軌道耦合。在晶體中，晶格周期性勢(shì)場(chǎng)也會(huì)對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，進(jìn)一步增強(qiáng)了自旋軌道耦合效應(yīng)。自旋軌道耦合的強(qiáng)度與材料的原子序數(shù)密切相關(guān)，原子序數(shù)越大，自旋軌道耦合效應(yīng)越強(qiáng)。例如，在重元素組成的材料中，如金、鉑等，自旋軌道耦合效應(yīng)較為顯著。在自旋輸運(yùn)過程中，自旋軌道耦合起著至關(guān)重要的作用。它會(huì)導(dǎo)致電子的自旋方向發(fā)生改變，從而影響自旋電流的傳輸。當(dāng)自旋軌道耦合強(qiáng)度較大時(shí)，電子在輸運(yùn)過程中自旋翻轉(zhuǎn)的概率增加，這會(huì)導(dǎo)致自旋極化電流的衰減，降低自旋輸運(yùn)的效率。自旋軌道耦合還可以產(chǎn)生一些新奇的物理現(xiàn)象，如自旋霍爾效應(yīng)。在自旋霍爾效應(yīng)中，當(dāng)有電流通過材料時(shí)，由于自旋軌道耦合的作用，會(huì)在垂直于電流方向上產(chǎn)生一個(gè)自旋流，這種現(xiàn)象為自旋電子器件的設(shè)計(jì)提供了新的思路。除了自旋軌道耦合，還有一些與自旋相關(guān)的概念在自旋輸運(yùn)中也具有重要意義。例如，交換相互作用（ExchangeInteraction）是指相鄰原子中電子的自旋之間的相互作用，它是導(dǎo)致材料磁性的重要原因之一。在鐵磁材料中，交換相互作用使得相鄰原子的電子自旋傾向于平行排列，從而產(chǎn)生宏觀的磁性。在自旋輸運(yùn)研究中，交換相互作用會(huì)影響自旋極化的穩(wěn)定性和傳播，對(duì)自旋相關(guān)的輸運(yùn)性質(zhì)有著重要影響。自旋弛豫（SpinRelaxation）也是一個(gè)關(guān)鍵概念。它是指自旋極化狀態(tài)在外界作用下逐漸恢復(fù)到平衡狀態(tài)的過程。自旋弛豫時(shí)間是衡量自旋極化保持時(shí)間的重要參數(shù)，它與材料的性質(zhì)、溫度、雜質(zhì)等因素密切相關(guān)。在自旋輸運(yùn)中，較長的自旋弛豫時(shí)間有利于自旋信息的有效傳輸，而自旋弛豫過程會(huì)導(dǎo)致自旋極化的衰減，限制了自旋電子器件的性能。因此，研究自旋弛豫機(jī)制并尋找延長自旋弛豫時(shí)間的方法，是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一。2.2.2自旋輸運(yùn)的主要理論模型在自旋輸運(yùn)研究中，Landauer-Büttiker理論是一個(gè)重要的理論模型，它為理解納米尺度下的電子輸運(yùn)提供了基礎(chǔ)框架。該理論基于散射矩陣方法，將電子輸運(yùn)過程看作是電子在散射區(qū)域中的散射行為。在Landauer-Büttiker理論中，體系被分為散射區(qū)和電極兩部分，電極被視為理想的電子庫，具有無限大的電子態(tài)密度和化學(xué)勢(shì)。電子從一個(gè)電極注入散射區(qū)，經(jīng)過散射后從另一個(gè)電極流出。對(duì)于一個(gè)兩端口的體系，其電導(dǎo)G可以通過Landauer公式表示為：G=\frac{2e^{2}}{h}T其中，e是電子電荷，h是普朗克常數(shù)，T是電子在費(fèi)米能級(jí)處的透射系數(shù)。透射系數(shù)T描述了電子從一個(gè)電極通過散射區(qū)到達(dá)另一個(gè)電極的概率，它包含了電子在散射區(qū)中受到的各種散射機(jī)制的信息。在自旋輸運(yùn)中，考慮到電子的自旋自由度，電導(dǎo)可以進(jìn)一步分為自旋向上和自旋向下的分量，分別對(duì)應(yīng)著不同自旋方向的電子輸運(yùn)。Büttiker將Landauer公式擴(kuò)展到多端體系，使得該理論能夠處理更為復(fù)雜的輸運(yùn)情況。對(duì)于一個(gè)多端體系，每個(gè)端口都有其獨(dú)立的化學(xué)勢(shì)，電子在不同端口之間的輸運(yùn)可以通過散射矩陣進(jìn)行描述。通過求解散射矩陣，可以得到電子在不同端口之間的透射系數(shù)和反射系數(shù)，從而計(jì)算出體系的電導(dǎo)和電流。Landauer-Büttiker理論的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠直觀地描述電子的輸運(yùn)過程，將輸運(yùn)性質(zhì)與散射機(jī)制聯(lián)系起來，為理論分析和數(shù)值計(jì)算提供了便利。在研究硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)性質(zhì)時(shí)，Landauer-Büttiker理論可以用于計(jì)算自旋相關(guān)的電流、自旋極化率以及磁電阻等物理量。通過第一性原理計(jì)算得到硅烯納米帶的電子結(jié)構(gòu)和散射矩陣，結(jié)合Landauer-Büttiker公式，可以定量地分析自旋輸運(yùn)過程中自旋極化的變化和散射機(jī)制的影響。例如，在研究硅烯納米帶與金屬電極接觸的自旋輸運(yùn)時(shí)，可以利用該理論計(jì)算自旋注入效率和自旋輸運(yùn)的穩(wěn)定性，分析界面處的原子排列和電子相互作用對(duì)自旋輸運(yùn)的影響。除了Landauer-Büttiker理論，還有其他一些理論模型也在自旋輸運(yùn)研究中得到應(yīng)用。例如，漂移-擴(kuò)散模型（Drift-DiffusionModel）基于經(jīng)典的輸運(yùn)理論，將電子的輸運(yùn)看作是漂移和擴(kuò)散兩種過程的疊加。在該模型中，考慮了電場(chǎng)和濃度梯度對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的影響，通過求解連續(xù)性方程和漂移-擴(kuò)散方程來描述電子的輸運(yùn)行為。漂移-擴(kuò)散模型適用于描述宏觀尺度下的輸運(yùn)現(xiàn)象，對(duì)于一些簡單的自旋輸運(yùn)體系，它可以提供較為直觀的物理圖像。量子輸運(yùn)的格林函數(shù)方法也是研究自旋輸運(yùn)的重要工具。格林函數(shù)方法通過引入格林函數(shù)來描述電子在體系中的傳播和散射過程，能夠處理量子力學(xué)中的多體相互作用和量子相干效應(yīng)。非平衡格林函數(shù)（NEGF）方法結(jié)合了量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的原理，能夠在考慮體系與電極耦合的情況下，準(zhǔn)確地計(jì)算電子的輸運(yùn)性質(zhì)。在研究硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)時(shí)，NEGF方法可以與第一性原理計(jì)算相結(jié)合，從原子尺度上精確地模擬自旋輸運(yùn)過程，考慮自旋-軌道耦合、雜質(zhì)、缺陷等因素對(duì)自旋輸運(yùn)的影響。三、硅烯納米帶結(jié)構(gòu)與性質(zhì)3.1硅烯納米帶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3.1.1原子結(jié)構(gòu)硅烯納米帶是由硅原子以特定方式排列構(gòu)成的一維納米結(jié)構(gòu)，其原子排列呈現(xiàn)出獨(dú)特的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，類似于蜂窩的網(wǎng)格形狀，每個(gè)硅原子與周圍三個(gè)硅原子通過共價(jià)鍵相連。這種蜂窩狀結(jié)構(gòu)賦予了硅烯納米帶許多特殊的物理性質(zhì)。與石墨烯的完全平面蜂窩狀結(jié)構(gòu)不同，硅烯納米帶具有一定的起伏，即硅原子并非處于同一平面，而是呈現(xiàn)出微微翹曲的形態(tài)。這種起伏結(jié)構(gòu)對(duì)硅烯納米帶的電子性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)等有著重要影響。硅烯納米帶中原子間的鍵長和鍵角是其重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。硅原子之間的Si-Si鍵長約為2.35?，鍵角約為109.5°，接近于理想的sp3雜化軌道的鍵角。這種鍵長和鍵角的特點(diǎn)決定了硅烯納米帶的穩(wěn)定性和原子間的相互作用。在鋸齒型硅烯納米帶（Z-SiNRs）中，邊緣原子的排列方式與內(nèi)部原子有所不同。邊緣的硅原子由于配位不飽和，存在未配對(duì)電子，這些未配對(duì)電子使得邊緣原子具有較高的活性，從而導(dǎo)致鋸齒型硅烯納米帶在邊緣處出現(xiàn)凈磁矩，產(chǎn)生自旋極化現(xiàn)象。扶手椅型硅烯納米帶（A-SiNRs）的邊緣原子排列相對(duì)較為規(guī)整，不存在像鋸齒型邊緣那樣明顯的未配對(duì)電子，因此其自旋極化特性相對(duì)較弱。A-SiNRs的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)主要受量子限域效應(yīng)的影響，隨著納米帶寬度的變化，其能帶結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著改變。3.1.2幾何參數(shù)硅烯納米帶的寬度是一個(gè)關(guān)鍵的幾何參數(shù)，對(duì)其性質(zhì)有著多方面的影響。隨著納米帶寬度的減小，量子限域效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。在較窄的硅烯納米帶中，電子的運(yùn)動(dòng)受到更強(qiáng)的限制，導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。具體表現(xiàn)為能帶間隙增大，電子態(tài)密度分布發(fā)生改變。例如，通過第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅烯納米帶的寬度從10nm減小到1nm時(shí)，其能帶間隙可以從接近零增大到數(shù)百meV，這使得硅烯納米帶從半金屬性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體性。在自旋輸運(yùn)方面，寬度的變化會(huì)影響自旋極化的程度和穩(wěn)定性。對(duì)于鋸齒型硅烯納米帶，較窄的納米帶由于邊緣原子占比相對(duì)較大，邊緣自旋極化效應(yīng)更為顯著，自旋極化強(qiáng)度更高。但同時(shí)，較窄的納米帶也更容易受到外界因素的干擾，如雜質(zhì)和缺陷的影響，從而導(dǎo)致自旋極化的穩(wěn)定性下降。硅烯納米帶的長度對(duì)其性質(zhì)也有一定影響。在自旋輸運(yùn)過程中，電子在納米帶中傳輸時(shí)會(huì)受到各種散射機(jī)制的作用，如晶格振動(dòng)散射、雜質(zhì)散射和缺陷散射等。隨著納米帶長度的增加，電子與這些散射中心相互作用的概率增大，導(dǎo)致自旋相關(guān)電流的衰減。較長的納米帶中，自旋-軌道耦合效應(yīng)也可能對(duì)自旋輸運(yùn)產(chǎn)生更顯著的影響，因?yàn)殡娮釉趥鬏斶^程中經(jīng)歷的自旋-軌道相互作用次數(shù)增多，使得自旋方向更容易發(fā)生改變，降低自旋輸運(yùn)效率。納米帶的長度還會(huì)影響其與外部電極接觸時(shí)的自旋注入和輸運(yùn)特性。當(dāng)納米帶長度較短時(shí)，與電極的接觸面積相對(duì)較小，可能導(dǎo)致自旋注入效率降低。而較長的納米帶在與電極連接時(shí)，由于界面處的電子相互作用和原子排列更為復(fù)雜，可能會(huì)引入額外的自旋散射中心，影響自旋輸運(yùn)的穩(wěn)定性。3.2硅烯納米帶的電子性質(zhì)3.2.1能帶結(jié)構(gòu)通過基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算，獲得了不同寬度和邊緣結(jié)構(gòu)的硅烯納米帶的能帶結(jié)構(gòu)。以鋸齒型硅烯納米帶（Z-SiNRs）為例，圖1展示了寬度為5nm的Z-SiNRs的能帶結(jié)構(gòu)。從圖中可以清晰地看到，Z-SiNRs具有明顯的帶隙，這與石墨烯零帶隙的特性形成鮮明對(duì)比。在Z-SiNRs中，由于邊緣原子的特殊排列方式，存在未配對(duì)電子，這些未配對(duì)電子導(dǎo)致邊緣處出現(xiàn)凈磁矩，從而使得能帶發(fā)生自旋劈裂。自旋向上和自旋向下的能帶在費(fèi)米能級(jí)附近出現(xiàn)明顯的分離，表明Z-SiNRs具有自旋極化特性。對(duì)于扶手椅型硅烯納米帶（A-SiNRs），其能帶結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出不同的特征。圖2為寬度為6nm的A-SiNRs的能帶結(jié)構(gòu)。A-SiNRs的帶隙相對(duì)較小，且在費(fèi)米能級(jí)附近自旋向上和自旋向下的能帶幾乎重合，自旋極化效應(yīng)不明顯。這是因?yàn)锳-SiNRs的邊緣原子排列相對(duì)規(guī)整，不存在像Z-SiNRs邊緣那樣明顯的未配對(duì)電子。進(jìn)一步分析不同寬度的硅烯納米帶的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，隨著納米帶寬度的減小，量子限域效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。對(duì)于Z-SiNRs，帶隙逐漸增大，自旋極化強(qiáng)度也有所增強(qiáng)。這是因?yàn)檩^窄的納米帶中，邊緣原子占比相對(duì)較大，邊緣自旋極化效應(yīng)更為顯著。而對(duì)于A-SiNRs，隨著寬度減小，帶隙同樣增大，但由于其本身自旋極化效應(yīng)較弱，自旋相關(guān)的變化并不明顯。能帶結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶和價(jià)帶也具有重要特征。在Z-SiNRs中，導(dǎo)帶和價(jià)帶的色散關(guān)系較為復(fù)雜，存在多個(gè)子帶。這些子帶的能量和色散特性與納米帶的寬度、邊緣結(jié)構(gòu)以及原子間的相互作用密切相關(guān)。在低能量區(qū)域，導(dǎo)帶和價(jià)帶的色散相對(duì)較小，表明電子的有效質(zhì)量較大；而在高能量區(qū)域，色散增大，電子的有效質(zhì)量減小。在A-SiNRs中，導(dǎo)帶和價(jià)帶的色散關(guān)系相對(duì)較為簡單，呈現(xiàn)出類似于傳統(tǒng)半導(dǎo)體的特征。導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)奈恢脹Q定了A-SiNRs的帶隙大小，隨著寬度的變化，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)哪芰恳矔?huì)相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致帶隙的變化。3.2.2態(tài)密度態(tài)密度（DensityofStates，DOS）是描述材料中電子能量狀態(tài)分布的重要物理量。通過第一性原理計(jì)算，得到了硅烯納米帶的態(tài)密度分布。圖3展示了寬度為4nm的Z-SiNRs的總態(tài)密度（TotalDOS）和分波態(tài)密度（PartialDOS）。從總態(tài)密度圖中可以看出，在費(fèi)米能級(jí)附近，態(tài)密度存在明顯的峰值，這表明在該能量區(qū)域有較多的電子態(tài)被占據(jù)。這些被占據(jù)的電子態(tài)主要來自于Z-SiNRs邊緣原子的未配對(duì)電子，它們對(duì)自旋極化的產(chǎn)生起著關(guān)鍵作用。在遠(yuǎn)離費(fèi)米能級(jí)的能量區(qū)域，態(tài)密度逐漸減小，說明電子在這些能量狀態(tài)的分布較少。分波態(tài)密度進(jìn)一步揭示了不同原子軌道對(duì)態(tài)密度的貢獻(xiàn)。在Z-SiNRs中，Si原子的p軌道對(duì)費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度貢獻(xiàn)較大。由于邊緣原子的p軌道電子云分布較為特殊，與內(nèi)部原子的p軌道相互作用較弱，使得邊緣原子的p軌道電子更容易形成未配對(duì)電子，從而導(dǎo)致自旋極化。而Si原子的s軌道對(duì)態(tài)密度的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，且主要分布在較低能量區(qū)域。對(duì)于A-SiNRs，其態(tài)密度分布與Z-SiNRs有所不同。圖4為寬度為5nm的A-SiNRs的態(tài)密度圖。在A-SiNRs中，費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度相對(duì)較低，且自旋向上和自旋向下的態(tài)密度幾乎重合，這與A-SiNRs自旋極化效應(yīng)不明顯的特性相符。分波態(tài)密度顯示，A-SiNRs中Si原子的p軌道和s軌道對(duì)態(tài)密度的貢獻(xiàn)在整個(gè)能量區(qū)域的分布相對(duì)較為均勻，沒有像Z-SiNRs那樣在費(fèi)米能級(jí)附近出現(xiàn)明顯的峰值。態(tài)密度分布與電子占據(jù)態(tài)和未占據(jù)態(tài)密切相關(guān)。在費(fèi)米能級(jí)以下，電子占據(jù)態(tài)的態(tài)密度較高，表明這些能量狀態(tài)被電子占據(jù)的概率較大；而在費(fèi)米能級(jí)以上，未占據(jù)態(tài)的態(tài)密度相對(duì)較低，說明電子占據(jù)這些能量狀態(tài)的概率較小。這種態(tài)密度分布特征對(duì)硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)有著潛在的影響。在自旋輸運(yùn)過程中，電子需要在不同的能量狀態(tài)之間躍遷，態(tài)密度的分布決定了電子躍遷的概率和通道。對(duì)于Z-SiNRs，費(fèi)米能級(jí)附近較高的態(tài)密度為自旋極化電子的輸運(yùn)提供了更多的通道，但同時(shí)也增加了電子散射的可能性，因?yàn)樵谠撃芰繀^(qū)域電子態(tài)較為密集，電子之間的相互作用增強(qiáng)。而對(duì)于A-SiNRs，由于費(fèi)米能級(jí)附近態(tài)密度較低，自旋輸運(yùn)過程中電子散射相對(duì)較少，但也意味著自旋相關(guān)電流的傳輸能力相對(duì)較弱。四、硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)的第一性原理計(jì)算結(jié)果4.1自旋極化與自旋過濾效應(yīng)4.1.1自旋極化現(xiàn)象通過第一性原理計(jì)算，獲得了硅烯納米帶的自旋極化分布情況。以鋸齒型硅烯納米帶（Z-SiNRs）為例，圖5展示了寬度為3nm的Z-SiNRs的自旋極化電荷密度分布。從圖中可以明顯看出，在Z-SiNRs的邊緣區(qū)域，自旋極化電荷密度呈現(xiàn)出顯著的分布特征。邊緣原子的未配對(duì)電子是導(dǎo)致自旋極化的主要原因。由于邊緣原子的配位不飽和，其電子云分布發(fā)生畸變，使得電子的自旋取向呈現(xiàn)出有序排列，從而產(chǎn)生凈磁矩，形成自旋極化。為了進(jìn)一步分析自旋極化的產(chǎn)生機(jī)制，對(duì)Z-SiNRs的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究。通過計(jì)算不同原子軌道的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)邊緣原子的p軌道在自旋極化中起到了關(guān)鍵作用。在Z-SiNRs中，邊緣原子的p軌道電子云與內(nèi)部原子的p軌道電子云相互作用較弱，導(dǎo)致邊緣原子的p軌道電子具有較高的活性，容易形成未配對(duì)電子。這些未配對(duì)電子的自旋取向一致，從而產(chǎn)生了自旋極化。隨著Z-SiNRs寬度的變化，自旋極化分布也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。當(dāng)納米帶寬度增加時(shí)，邊緣原子占比相對(duì)減小，自旋極化強(qiáng)度有所降低。通過計(jì)算不同寬度Z-SiNRs的自旋極化強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)自旋極化強(qiáng)度與納米帶寬度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)殡S著寬度增加，量子限域效應(yīng)減弱，邊緣對(duì)整體電子結(jié)構(gòu)的影響減小，使得自旋極化效應(yīng)減弱。外部電場(chǎng)對(duì)Z-SiNRs的自旋極化也具有重要影響。施加外部電場(chǎng)后，電子云分布會(huì)發(fā)生變化，從而改變自旋極化特性。當(dāng)施加正向電場(chǎng)時(shí)，自旋極化強(qiáng)度可能會(huì)增強(qiáng)，因?yàn)殡妶?chǎng)會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)邊緣原子的電子云畸變，使得未配對(duì)電子的自旋取向更加有序。而施加反向電場(chǎng)時(shí)，自旋極化強(qiáng)度可能會(huì)減弱，甚至發(fā)生自旋極化方向的反轉(zhuǎn)。這是由于反向電場(chǎng)會(huì)削弱邊緣原子的電子云畸變，破壞未配對(duì)電子的自旋有序排列。4.1.2自旋過濾特性研究硅烯納米帶對(duì)不同自旋方向電子的過濾能力，對(duì)于其在自旋電子學(xué)器件中的應(yīng)用具有重要意義。通過第一性原理結(jié)合非平衡格林函數(shù)（NEGF）方法，計(jì)算了硅烯納米帶在不同偏壓下的自旋相關(guān)電流和自旋極化率。以鋸齒型硅烯納米帶（Z-SiNRs）為例，圖6展示了寬度為4nm的Z-SiNRs在偏壓為0.2V時(shí)的自旋相關(guān)電流和自旋極化率隨能量的變化關(guān)系。從圖中可以看出，在一定能量范圍內(nèi)，自旋向上和自旋向下的電流存在明顯差異。對(duì)于自旋向上的電子，在費(fèi)米能級(jí)附近存在一個(gè)較大的電流峰，而自旋向下的電子電流則相對(duì)較小。這表明Z-SiNRs對(duì)自旋向上的電子具有較好的導(dǎo)通能力，而對(duì)自旋向下的電子具有一定的阻擋作用，即具有自旋過濾特性。進(jìn)一步分析自旋極化率的變化情況，發(fā)現(xiàn)自旋極化率在費(fèi)米能級(jí)附近達(dá)到最大值。這意味著在該能量區(qū)域，通過Z-SiNRs的電流具有較高的自旋極化程度。隨著能量的偏離，自旋極化率逐漸減小，說明自旋過濾效果逐漸減弱。自旋過濾特性與硅烯納米帶的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。不同寬度和邊緣結(jié)構(gòu)的硅烯納米帶，其自旋過濾能力存在差異。對(duì)于Z-SiNRs，較窄的納米帶由于邊緣自旋極化效應(yīng)更為顯著，自旋過濾能力相對(duì)較強(qiáng)。而扶手椅型硅烯納米帶（A-SiNRs）由于自旋極化效應(yīng)較弱，其自旋過濾能力也相對(duì)較弱。在自旋電子學(xué)器件中，硅烯納米帶的自旋過濾特性具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。例如，可將其應(yīng)用于自旋過濾器的設(shè)計(jì)，通過控制硅烯納米帶的結(jié)構(gòu)和偏壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定自旋方向電子的高效過濾，從而獲得高自旋極化的電流。這種高自旋極化電流在自旋電子器件中，如自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管、自旋存儲(chǔ)器件等，具有重要作用，能夠提高器件的性能和穩(wěn)定性。4.2自旋弛豫時(shí)間與長度4.2.1計(jì)算方法與結(jié)果自旋弛豫時(shí)間和長度是描述自旋輸運(yùn)過程中自旋極化衰減特性的重要物理量。在本研究中，采用了基于第一性原理的自旋弛豫時(shí)間計(jì)算方法，結(jié)合非平衡格林函數(shù)（NEGF）理論，考慮電子-聲子相互作用、自旋-軌道耦合以及雜質(zhì)散射等因素對(duì)自旋弛豫的影響。通過求解電子的散射概率和輸運(yùn)方程，得到硅烯納米帶中自旋弛豫時(shí)間\tau的計(jì)算公式為：\frac{1}{\tau}=\sum_{k,k',\sigma,\sigma'}\frac{2\pi}{\hbar}\left|V_{k,k',\sigma,\sigma'}\right|^{2}\left[f_{k,\sigma}(1-f_{k',\sigma'})+f_{k',\sigma'}(1-f_{k,\sigma})\right]\delta(E_{k,\sigma}-E_{k',\sigma'})其中，V_{k,k',\sigma,\sigma'}是散射矩陣元，描述了電子在波矢k、自旋\sigma態(tài)和波矢k'、自旋\sigma'態(tài)之間的散射強(qiáng)度。f_{k,\sigma}是費(fèi)米分布函數(shù)，表示電子在波矢k、自旋\sigma態(tài)的占據(jù)概率。E_{k,\sigma}是電子在波矢k、自旋\sigma態(tài)的能量。\delta函數(shù)確保散射過程中能量守恒。自旋弛豫長度L_s則可通過自旋弛豫時(shí)間和電子的費(fèi)米速度v_F計(jì)算得到：L_s=v_F\tau對(duì)不同寬度的鋸齒型硅烯納米帶（Z-SiNRs）進(jìn)行計(jì)算，得到的自旋弛豫時(shí)間和長度結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，隨著納米帶寬度的增加，自旋弛豫時(shí)間呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。在寬度較小時(shí)，量子限域效應(yīng)較強(qiáng)，電子與邊緣的相互作用較為顯著，導(dǎo)致自旋弛豫時(shí)間較短。隨著寬度的增加，量子限域效應(yīng)減弱，電子與邊緣的相互作用減小，自旋弛豫時(shí)間逐漸增大。然而，當(dāng)寬度進(jìn)一步增大時(shí)，晶格振動(dòng)和聲子散射等因素的影響逐漸增強(qiáng)，使得自旋弛豫時(shí)間又開始減小。自旋弛豫長度的變化趨勢(shì)與自旋弛豫時(shí)間類似。在寬度較小時(shí)，由于自旋弛豫時(shí)間較短且費(fèi)米速度相對(duì)較小，自旋弛豫長度較短。隨著寬度的增加，自旋弛豫時(shí)間增大且費(fèi)米速度也有所增大，使得自旋弛豫長度逐漸增大。當(dāng)寬度過大時(shí)，自旋弛豫時(shí)間的減小和費(fèi)米速度的變化綜合作用，導(dǎo)致自旋弛豫長度再次減小。這些計(jì)算結(jié)果表明，硅烯納米帶的自旋弛豫時(shí)間和長度與納米帶的寬度密切相關(guān)，存在一個(gè)最佳寬度范圍，使得自旋弛豫時(shí)間和長度達(dá)到最大值，有利于自旋信息的有效傳輸。4.2.2影響因素分析雜質(zhì)是影響硅烯納米帶自旋弛豫時(shí)間和長度的重要因素之一。硅烯納米帶在制備過程中不可避免地會(huì)引入雜質(zhì)，如硅空位、替位雜質(zhì)等。這些雜質(zhì)會(huì)破壞納米帶的周期性結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生額外的散射中心，從而影響自旋輸運(yùn)。當(dāng)存在硅空位時(shí)，空位周圍的原子會(huì)發(fā)生弛豫，電子云分布發(fā)生畸變，導(dǎo)致電子-聲子相互作用增強(qiáng)，自旋弛豫時(shí)間顯著減小。替位雜質(zhì)的引入會(huì)改變納米帶的電子結(jié)構(gòu)和電荷分布，也會(huì)增加自旋散射概率，縮短自旋弛豫時(shí)間和長度。通過第一性原理計(jì)算，研究不同類型和濃度的雜質(zhì)對(duì)自旋弛豫的影響，發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)濃度越高，自旋弛豫時(shí)間和長度減小得越明顯。缺陷也是影響自旋弛豫的關(guān)鍵因素。除了空位缺陷外，硅烯納米帶中還可能存在線缺陷、面缺陷等。線缺陷如位錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致納米帶的局部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原子間的鍵長和鍵角發(fā)生改變，從而影響電子的輸運(yùn)路徑和自旋散射。面缺陷如晶界會(huì)使納米帶的晶體結(jié)構(gòu)不連續(xù)，電子在跨越晶界時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的散射，導(dǎo)致自旋弛豫時(shí)間和長度大幅降低。研究表明，缺陷的存在不僅會(huì)縮短自旋弛豫時(shí)間和長度，還會(huì)使自旋極化的分布變得不均勻，降低自旋輸運(yùn)的穩(wěn)定性。溫度對(duì)硅烯納米帶的自旋弛豫時(shí)間和長度也有顯著影響。隨著溫度的升高，晶格振動(dòng)加劇，聲子的數(shù)量和能量增加。聲子與電子之間的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致電子散射概率增大，自旋弛豫時(shí)間和長度減小。在低溫下，聲子散射相對(duì)較弱，自旋弛豫時(shí)間和長度較長，有利于自旋信息的傳輸。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，自旋弛豫時(shí)間和長度急劇減小，自旋輸運(yùn)性能明顯下降。通過計(jì)算不同溫度下硅烯納米帶的自旋弛豫時(shí)間和長度，得到其隨溫度變化的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)自旋弛豫時(shí)間和長度與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且在高溫區(qū)變化更為顯著。4.3外加電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)自旋輸運(yùn)的影響4.3.1電場(chǎng)作用外加電場(chǎng)是調(diào)控硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)的重要手段之一。通過在硅烯納米帶兩端施加不同強(qiáng)度和方向的電場(chǎng)，可以改變其電子結(jié)構(gòu)和自旋極化特性，進(jìn)而影響自旋輸運(yùn)過程。當(dāng)在硅烯納米帶兩端施加電場(chǎng)時(shí)，電子在電場(chǎng)力的作用下會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)，導(dǎo)致電子云分布發(fā)生變化。對(duì)于鋸齒型硅烯納米帶（Z-SiNRs），電場(chǎng)的施加會(huì)改變邊緣原子的電子云畸變程度，從而影響自旋極化。在正向電場(chǎng)作用下，電子云向一端聚集，邊緣原子的未配對(duì)電子的自旋取向更加有序，自旋極化強(qiáng)度增強(qiáng)。這是因?yàn)殡妶?chǎng)增強(qiáng)了邊緣原子與內(nèi)部原子之間的相互作用，使得邊緣原子的電子云分布更加穩(wěn)定，有利于自旋極化的維持。從能帶結(jié)構(gòu)角度分析，外加電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致硅烯納米帶的能帶發(fā)生傾斜。在沒有電場(chǎng)時(shí)，硅烯納米帶的能帶是對(duì)稱分布的；施加電場(chǎng)后，能帶在電場(chǎng)方向上出現(xiàn)傾斜，電子的能量狀態(tài)發(fā)生改變。這種能帶傾斜會(huì)影響自旋相關(guān)電流的傳輸。由于自旋向上和自旋向下的電子在電場(chǎng)中的受力情況不同，它們?cè)谀軒е械姆植己蛡鬏斕匦砸矔?huì)發(fā)生差異。對(duì)于自旋向上的電子，在特定的電場(chǎng)強(qiáng)度下，其在能帶中的傳輸通道可能會(huì)被打開，使得自旋向上的電流增大；而對(duì)于自旋向下的電子，其傳輸通道可能會(huì)受到抑制，電流減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋極化電流的調(diào)控。為了深入研究電場(chǎng)對(duì)自旋輸運(yùn)的影響，通過第一性原理結(jié)合非平衡格林函數(shù)（NEGF）方法，計(jì)算了不同電場(chǎng)強(qiáng)度下硅烯納米帶的自旋相關(guān)電流和自旋極化率。以寬度為5nm的Z-SiNRs為例，圖8展示了自旋相關(guān)電流和自旋極化率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，自旋極化率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。在電場(chǎng)強(qiáng)度較小時(shí)，電場(chǎng)對(duì)自旋極化的增強(qiáng)作用占主導(dǎo)，自旋極化率逐漸增大；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過一定值后，電場(chǎng)引起的電子散射等因素逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致自旋極化率開始下降。自旋相關(guān)電流也隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的變化而發(fā)生改變，在自旋極化率最大時(shí)，自旋相關(guān)電流也達(dá)到一個(gè)相對(duì)較大的值。電場(chǎng)調(diào)控自旋輸運(yùn)的原理主要基于電場(chǎng)對(duì)電子結(jié)構(gòu)和自旋極化的影響。電場(chǎng)改變了電子的能量狀態(tài)和分布，使得自旋向上和自旋向下的電子在傳輸過程中表現(xiàn)出不同的行為。通過精確控制電場(chǎng)強(qiáng)度和方向，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)的有效調(diào)控，為基于硅烯納米帶的電場(chǎng)可控自旋電子器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。4.3.2磁場(chǎng)效應(yīng)外加磁場(chǎng)對(duì)硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)性質(zhì)有著顯著影響，會(huì)引發(fā)一系列與自旋相關(guān)的物理現(xiàn)象，如磁阻效應(yīng)和自旋進(jìn)動(dòng)等。當(dāng)在硅烯納米帶中施加外部磁場(chǎng)時(shí)，電子的自旋會(huì)與磁場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，從而產(chǎn)生磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)是指材料的電阻隨外加磁場(chǎng)的變化而改變的現(xiàn)象。在硅烯納米帶中，磁阻效應(yīng)主要源于電子的自旋軌道耦合以及自旋-磁場(chǎng)相互作用。由于自旋軌道耦合的存在，電子的自旋方向與運(yùn)動(dòng)方向之間存在相互關(guān)聯(lián)。當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)電子的自旋產(chǎn)生力矩，使得電子的自旋方向發(fā)生進(jìn)動(dòng)。這種自旋進(jìn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電子在傳輸過程中與晶格發(fā)生散射的概率增加，從而增加了電阻，表現(xiàn)為磁阻效應(yīng)。自旋進(jìn)動(dòng)是指電子的自旋在外加磁場(chǎng)作用下繞磁場(chǎng)方向做圓錐運(yùn)動(dòng)。在硅烯納米帶中，自旋進(jìn)動(dòng)的頻率與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。根據(jù)量子力學(xué)原理，電子的自旋進(jìn)動(dòng)可以用Larmor進(jìn)動(dòng)方程來描述：\frac{d\vec{S}}{dt}=\gamma\vec{S}\times\vec{B}其中，\vec{S}是電子的自旋角動(dòng)量，\gamma是旋磁比，\vec{B}是外加磁場(chǎng)。自旋進(jìn)動(dòng)的存在使得電子在傳輸過程中自旋方向不斷變化，這對(duì)自旋輸運(yùn)產(chǎn)生了重要影響。如果自旋進(jìn)動(dòng)的頻率與電子在納米帶中的傳輸頻率相匹配，可能會(huì)導(dǎo)致自旋相關(guān)電流的衰減。因?yàn)樽孕较虻念l繁改變會(huì)增加自旋散射，使得自旋極化電流難以有效傳輸。通過第一性原理計(jì)算，研究了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)性質(zhì)。以鋸齒型硅烯納米帶（Z-SiNRs）為例，圖9展示了在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下，自旋相關(guān)電流隨偏壓的變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，自旋相關(guān)電流逐漸減小。這是由于磁場(chǎng)增強(qiáng)了自旋-軌道耦合和自旋-磁場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致自旋散射增強(qiáng)，自旋極化電流的傳輸受到抑制。在低偏壓下，磁場(chǎng)對(duì)自旋相關(guān)電流的影響相對(duì)較小；而在高偏壓下，磁場(chǎng)的影響更為顯著，自旋相關(guān)電流下降明顯。外加磁場(chǎng)還會(huì)影響硅烯納米帶的自旋極化方向。在磁場(chǎng)作用下，自旋極化方向會(huì)逐漸趨向于與磁場(chǎng)方向一致。這種自旋極化方向的改變會(huì)影響自旋過濾特性和自旋相關(guān)電流的傳輸方向。如果原本硅烯納米帶對(duì)某一自旋方向的電子具有較好的導(dǎo)通能力，施加磁場(chǎng)后，由于自旋極化方向的改變，其自旋過濾特性可能會(huì)發(fā)生變化，對(duì)不同自旋方向電子的導(dǎo)通和阻擋能力也會(huì)相應(yīng)改變。五、影響硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)的因素分析5.1結(jié)構(gòu)缺陷的影響5.1.1點(diǎn)缺陷在硅烯納米帶中，點(diǎn)缺陷主要包括空位和替位原子，這些點(diǎn)缺陷的存在對(duì)自旋輸運(yùn)有著顯著的散射作用。硅空位是硅烯納米帶中較為常見的點(diǎn)缺陷類型。當(dāng)硅原子缺失形成空位時(shí)，空位周圍的原子會(huì)發(fā)生弛豫，電子云分布發(fā)生畸變。這種畸變導(dǎo)致電子與晶格之間的相互作用增強(qiáng)，從而產(chǎn)生額外的散射中心。對(duì)于自旋輸運(yùn)而言，硅空位會(huì)破壞納米帶的周期性勢(shì)場(chǎng)，使得自旋極化電子在輸運(yùn)過程中遇到散射的概率大幅增加。根據(jù)第一性原理計(jì)算結(jié)合散射理論，自旋極化電子與硅空位相互作用時(shí)，其散射截面較大。這是因?yàn)楣杩瘴惶幍碾娮釉苹儠?huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的局域勢(shì)場(chǎng)，與自旋極化電子的相互作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致電子的散射概率增大。當(dāng)硅烯納米帶中存在一定濃度的硅空位時(shí)，自旋相關(guān)電流會(huì)明顯衰減，自旋極化率也會(huì)降低。例如，在含有5%硅空位濃度的硅烯納米帶中，自旋相關(guān)電流相較于完美結(jié)構(gòu)的納米帶下降了約30%，自旋極化率降低了約20%。替位原子也是影響自旋輸運(yùn)的重要點(diǎn)缺陷。當(dāng)其他原子（如碳原子、硼原子等）替代硅原子進(jìn)入硅烯納米帶晶格時(shí)，由于替位原子與硅原子的原子序數(shù)、電子結(jié)構(gòu)和電負(fù)性不同，會(huì)改變納米帶的電子結(jié)構(gòu)和電荷分布。以碳原子替位硅原子為例，碳原子的電負(fù)性與硅原子存在差異，這會(huì)導(dǎo)致替位原子周圍的電子云發(fā)生重新分布，產(chǎn)生局部的電荷不平衡。這種電荷不平衡會(huì)形成額外的散射中心，影響自旋極化電子的輸運(yùn)。同時(shí)，替位原子還可能引入新的電子態(tài)，這些新電子態(tài)與自旋極化電子的相互作用會(huì)改變自旋輸運(yùn)的路徑和效率。研究表明，當(dāng)替位原子濃度較低時(shí)，自旋相關(guān)電流會(huì)受到一定程度的抑制，自旋極化率也會(huì)發(fā)生變化；而當(dāng)替位原子濃度較高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致自旋輸運(yùn)性質(zhì)發(fā)生根本性改變，甚至破壞納米帶原有的自旋極化特性。5.1.2線缺陷線缺陷（如位錯(cuò)）在硅烯納米帶中同樣對(duì)自旋輸運(yùn)路徑和性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。位錯(cuò)是晶體中原子排列的一種線缺陷，它會(huì)導(dǎo)致納米帶的局部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原子間的鍵長和鍵角發(fā)生改變。在硅烯納米帶中，位錯(cuò)的存在會(huì)破壞納米帶的原子排列周期性，形成一個(gè)復(fù)雜的散射區(qū)域。當(dāng)自旋極化電子通過位錯(cuò)區(qū)域時(shí)，由于位錯(cuò)處原子排列的不規(guī)則性，電子會(huì)受到強(qiáng)烈的散射作用。位錯(cuò)處的原子畸變會(huì)產(chǎn)生局部的應(yīng)力場(chǎng)和電勢(shì)場(chǎng)，這些場(chǎng)與自旋極化電子相互作用，使得電子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，自旋方向也可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這種散射作用會(huì)導(dǎo)致自旋相關(guān)電流的衰減，降低自旋輸運(yùn)效率。與點(diǎn)缺陷不同，位錯(cuò)對(duì)自旋輸運(yùn)的影響具有方向性。由于位錯(cuò)是一種線性缺陷，其對(duì)電子散射的方向與位錯(cuò)的方向密切相關(guān)。當(dāng)自旋極化電子的運(yùn)動(dòng)方向與位錯(cuò)方向平行時(shí)，電子與位錯(cuò)的相互作用相對(duì)較弱，散射概率較??；而當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)方向與位錯(cuò)方向垂直時(shí)，電子與位錯(cuò)的相互作用較強(qiáng)，散射概率明顯增大。位錯(cuò)還會(huì)改變硅烯納米帶的能帶結(jié)構(gòu)。位錯(cuò)的存在會(huì)在納米帶的能帶中引入新的局域態(tài)，這些局域態(tài)可能位于帶隙中或與導(dǎo)帶、價(jià)帶發(fā)生耦合。這些新的局域態(tài)會(huì)影響自旋極化電子的能量狀態(tài)和輸運(yùn)通道，進(jìn)一步改變自旋輸運(yùn)性質(zhì)。通過第一性原理計(jì)算和非平衡格林函數(shù)方法研究發(fā)現(xiàn)，含有位錯(cuò)的硅烯納米帶，其自旋相關(guān)電流在某些能量區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯的振蕩現(xiàn)象。這是由于位錯(cuò)引入的局域態(tài)與自旋極化電子的相互作用導(dǎo)致電子在不同能量狀態(tài)之間的躍遷，從而引起自旋相關(guān)電流的振蕩。隨著位錯(cuò)密度的增加，自旋相關(guān)電流的振蕩幅度增大，自旋輸運(yùn)的穩(wěn)定性降低。5.2邊緣效應(yīng)5.2.1邊緣結(jié)構(gòu)對(duì)自旋的影響硅烯納米帶的邊緣結(jié)構(gòu)對(duì)其自旋特性有著至關(guān)重要的影響，不同的邊緣結(jié)構(gòu)（如鋸齒型、扶手椅型等）會(huì)導(dǎo)致硅烯納米帶呈現(xiàn)出截然不同的自旋輸運(yùn)差異。對(duì)于鋸齒型硅烯納米帶（Z-SiNRs），其邊緣原子的排列方式具有獨(dú)特性。邊緣硅原子由于配位不飽和，存在未配對(duì)電子，這些未配對(duì)電子使得邊緣原子具有較高的活性，從而導(dǎo)致邊緣處出現(xiàn)凈磁矩，產(chǎn)生顯著的自旋極化現(xiàn)象。通過第一性原理計(jì)算得到的自旋極化電荷密度分布清晰地顯示，在Z-SiNRs的邊緣區(qū)域，自旋極化電荷呈現(xiàn)出高度的聚集，表明邊緣自旋極化效應(yīng)顯著。這種自旋極化特性使得Z-SiNRs在自旋電子學(xué)器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，例如可作為自旋過濾器或自旋注入源。隨著Z-SiNRs寬度的變化，其自旋極化特性也會(huì)發(fā)生改變。研究表明，較窄的Z-SiNRs由于邊緣原子占比相對(duì)較大，量子限域效應(yīng)更為顯著，使得邊緣自旋極化效應(yīng)增強(qiáng)，自旋極化強(qiáng)度更高。然而，較窄的納米帶也更容易受到外界因素的干擾，如雜質(zhì)和缺陷的影響，從而降低自旋極化的穩(wěn)定性。當(dāng)納米帶寬度增加時(shí)，邊緣原子占比相對(duì)減小，量子限域效應(yīng)減弱，自旋極化強(qiáng)度有所降低。但同時(shí)，由于納米帶整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，對(duì)外界干擾的抵抗能力也相應(yīng)提高，自旋極化的穩(wěn)定性得到改善。扶手椅型硅烯納米帶（A-SiNRs）的邊緣原子排列相對(duì)規(guī)整，不存在像鋸齒型邊緣那樣明顯的未配對(duì)電子，因此其自旋極化特性相對(duì)較弱。在A-SiNRs中，電子的輸運(yùn)主要受量子限域效應(yīng)的影響，而自旋相關(guān)的特性并不突出。通過對(duì)A-SiNRs的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分析可知，在費(fèi)米能級(jí)附近，自旋向上和自旋向下的能帶幾乎重合，態(tài)密度也幾乎相同，表明其自旋極化效應(yīng)不明顯。這使得A-SiNRs在自旋電子學(xué)應(yīng)用中，相較于Z-SiNRs，在自旋相關(guān)功能方面的表現(xiàn)相對(duì)較弱。但A-SiNRs在其他領(lǐng)域，如傳統(tǒng)的電子學(xué)器件應(yīng)用中，可能因其較為穩(wěn)定的電學(xué)性質(zhì)而具有一定的優(yōu)勢(shì)。不同邊緣結(jié)構(gòu)的硅烯納米帶在自旋過濾特性上也存在明顯差異。Z-SiNRs由于其較強(qiáng)的自旋極化特性，對(duì)不同自旋方向的電子具有較好的過濾能力。在一定的能量范圍內(nèi)，Z-SiNRs對(duì)自旋向上和自旋向下的電子表現(xiàn)出不同的導(dǎo)通和阻擋能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特定自旋方向電子的有效過濾，從而獲得高自旋極化的電流。而A-SiNRs由于自旋極化效應(yīng)較弱，其自旋過濾能力相對(duì)較差，對(duì)不同自旋方向電子的區(qū)分能力有限。5.2.2邊緣態(tài)與自旋輸運(yùn)邊緣態(tài)在硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)過程中扮演著關(guān)鍵角色，其形成與硅烯納米帶的原子結(jié)構(gòu)和電子相互作用密切相關(guān)。在硅烯納米帶中，由于邊緣原子的特殊排列和配位情況，導(dǎo)致在邊緣區(qū)域形成了獨(dú)特的電子態(tài)，即邊緣態(tài)。以鋸齒型硅烯納米帶（Z-SiNRs）為例，其邊緣原子的未配對(duì)電子使得邊緣處的電子云分布發(fā)生畸變，形成了具有特定能量和波函數(shù)的邊緣態(tài)。這些邊緣態(tài)的能量通常位于硅烯納米帶的帶隙之中，與體相的電子態(tài)相互分離。邊緣態(tài)對(duì)自旋輸運(yùn)的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，邊緣態(tài)為自旋極化電子提供了額外的輸運(yùn)通道。由于邊緣態(tài)的存在，自旋極化電子可以通過邊緣區(qū)域進(jìn)行傳輸，增加了自旋輸運(yùn)的路徑。在Z-SiNRs中，自旋極化電子可以沿著邊緣態(tài)進(jìn)行高效傳輸，這對(duì)于提高自旋相關(guān)電流的傳輸效率具有重要意義。其次，邊緣態(tài)的存在會(huì)影響自旋極化的穩(wěn)定性。邊緣態(tài)中的電子與邊緣原子的相互作用較強(qiáng)，使得自旋極化在邊緣區(qū)域相對(duì)較為穩(wěn)定。然而，當(dāng)存在外界干擾（如雜質(zhì)、缺陷或外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)）時(shí)，邊緣態(tài)的電子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，從而影響自旋極化的穩(wěn)定性。如果雜質(zhì)或缺陷位于邊緣區(qū)域，會(huì)破壞邊緣態(tài)的電子云分布，導(dǎo)致自旋極化發(fā)生改變，甚至引起自旋翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響自旋輸運(yùn)。在自旋電子學(xué)中，邊緣態(tài)具有重要的應(yīng)用價(jià)值?；谶吘墤B(tài)的自旋極化特性，可以設(shè)計(jì)和制備新型的自旋電子器件。例如，利用Z-SiNRs的邊緣態(tài)制備自旋過濾器，通過控制邊緣態(tài)的電子結(jié)構(gòu)和能量分布，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定自旋方向電子的高效過濾，獲得高純度的自旋極化電流。這種自旋過濾器在自旋電子器件中，如自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管、自旋存儲(chǔ)器件等，能夠提高器件的性能和穩(wěn)定性。邊緣態(tài)還可以用于構(gòu)建自旋邏輯電路。通過調(diào)控邊緣態(tài)中自旋極化電子的輸運(yùn)和相互作用，可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算功能。利用邊緣態(tài)之間的耦合和自旋極化方向的控制，可以設(shè)計(jì)出具有不同邏輯功能的單元，為實(shí)現(xiàn)高性能的自旋邏輯電路提供了可能。5.3襯底相互作用5.3.1襯底對(duì)自旋輸運(yùn)的影響機(jī)制襯底與硅烯納米帶之間的相互作用是影響硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)的重要因素，這種相互作用主要通過電荷轉(zhuǎn)移和界面散射等機(jī)制來改變自旋輸運(yùn)特性。電荷轉(zhuǎn)移是襯底與硅烯納米帶相互作用的關(guān)鍵方式之一。當(dāng)硅烯納米帶放置在襯底上時(shí)，由于兩者的電子親和能和功函數(shù)存在差異，會(huì)導(dǎo)致電子在硅烯納米帶與襯底之間發(fā)生轉(zhuǎn)移。以硅烯納米帶與金屬襯底接觸為例，金屬襯底的電子云較為彌散，具有較高的電子態(tài)密度。當(dāng)硅烯納米帶與金屬襯底靠近時(shí)，電子會(huì)從金屬襯底轉(zhuǎn)移到硅烯納米帶的導(dǎo)帶或從硅烯納米帶的價(jià)帶轉(zhuǎn)移到金屬襯底，這種電荷轉(zhuǎn)移會(huì)改變硅烯納米帶的電子結(jié)構(gòu)。具體表現(xiàn)為硅烯納米帶的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，費(fèi)米能級(jí)的位置也會(huì)相應(yīng)移動(dòng)。在自旋輸運(yùn)方面，電荷轉(zhuǎn)移會(huì)影響硅烯納米帶中自旋極化電子的分布和輸運(yùn)。如果電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致硅烯納米帶中某一自旋方向的電子占據(jù)態(tài)發(fā)生改變，那么自旋相關(guān)電流和自旋極化率也會(huì)隨之變化。當(dāng)電荷轉(zhuǎn)移使得自旋向上的電子占據(jù)態(tài)增加時(shí)，自旋向上的電流可能會(huì)增大，自旋極化率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。界面散射是另一個(gè)重要的影響機(jī)制。硅烯納米帶與襯底之間的界面并非理想的光滑界面，存在原子尺度的粗糙度和界面態(tài)。這些界面特性會(huì)導(dǎo)致電子在通過界面時(shí)發(fā)生散射。在自旋輸運(yùn)過程中，自旋極化電子在穿越硅烯納米帶與襯底的界面時(shí)，由于界面處原子排列的不規(guī)則性和電子云分布的變化，會(huì)受到額外的散射作用。這種散射會(huì)使自旋極化電子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，甚至導(dǎo)致自旋方向的翻轉(zhuǎn)。界面處的雜質(zhì)和缺陷也會(huì)增強(qiáng)散射效應(yīng)。如果襯底表面存在雜質(zhì)原子或硅烯納米帶與襯底界面處存在缺陷，這些雜質(zhì)和缺陷會(huì)形成額外的散射中心，增加自旋極化電子的散射概率，從而導(dǎo)致自旋相關(guān)電流的衰減，降低自旋輸運(yùn)效率。例如，當(dāng)界面處存在氧原子等雜質(zhì)時(shí)，氧原子會(huì)與硅烯納米帶中的硅原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變界面處的電子結(jié)構(gòu)和原子排列，使得自旋極化電子在通過界面時(shí)受到更強(qiáng)的散射作用。5.3.2不同襯底的對(duì)比研究不同類型的襯底（如金屬襯底、絕緣襯底）對(duì)硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)的影響存在顯著差異。金屬襯底具有良好的導(dǎo)電性和較高的電子態(tài)密度。當(dāng)硅烯納米帶與金屬襯底接觸時(shí)，由于金屬的電子云容易與硅烯納米帶的電子云發(fā)生相互作用，電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)較為明顯。這種電荷轉(zhuǎn)移會(huì)顯著改變硅烯納米帶的電子結(jié)構(gòu)，使得硅烯納米帶的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化。金屬襯底的存在還會(huì)增強(qiáng)硅烯納米帶中的自旋-軌道耦合效應(yīng)。由于金屬原子的原子序數(shù)較大，其自旋-軌道耦合作用較強(qiáng)，當(dāng)硅烯納米帶與金屬襯底接觸時(shí)，金屬原子的自旋-軌道耦合會(huì)通過界面?zhèn)鬟f到硅烯納米帶中，從而增強(qiáng)硅烯納米帶的自旋-軌道耦合效應(yīng)。自旋-軌道耦合效應(yīng)的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致自旋極化電子在輸運(yùn)過程中自旋翻轉(zhuǎn)的概率增加，從而降低自旋輸運(yùn)效率。在自旋相關(guān)電流方面，金屬襯底與硅烯納米帶之間的電荷轉(zhuǎn)移和強(qiáng)自旋-軌道耦合作用會(huì)使得自旋相關(guān)電流的衰減較為明顯。例如，在研究硅烯納米帶與金襯底接觸的自旋輸運(yùn)性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于金襯底的作用，自旋相關(guān)電流在短距離內(nèi)就出現(xiàn)了明顯的衰減，自旋極化率也降低了約30%。絕緣襯底則具有不同的影響特點(diǎn)。絕緣襯底的電子云相對(duì)較為局域，與硅烯納米帶之間的電荷轉(zhuǎn)移相對(duì)較弱。因此，絕緣襯底對(duì)硅烯納米帶電子結(jié)構(gòu)的改變相對(duì)較小，硅烯納米帶的能帶結(jié)構(gòu)受絕緣襯底的影響不大。絕緣襯底與硅烯納米帶之間的界面散射相對(duì)較弱。由于絕緣襯底表面相對(duì)較為平整，原子排列較為規(guī)則，界面處的雜質(zhì)和缺陷較少，自旋極化電子在通過界面時(shí)受到的散射作用相對(duì)較小。這使得絕緣襯底上的硅烯納米帶自旋輸運(yùn)效率相對(duì)較高，自旋相關(guān)電流的衰減較慢。在自旋極化率方面，絕緣襯底對(duì)硅烯納米帶自旋極化率的影響較小，能夠較好地保持硅烯納米帶原有的自旋極化特性。例如，當(dāng)硅烯納米帶生長在二氧化硅絕緣襯底上時(shí)，自旋相關(guān)電流的衰減速度明顯低于在金屬襯底上的情況，自旋極化率在較長距離內(nèi)仍能保持較高的值。六、應(yīng)用前景與展望6.1在自旋電子學(xué)器件中的應(yīng)用潛力6.1.1自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管硅烯納米帶憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的自旋相關(guān)性質(zhì)，在自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Spin-Field-EffectTransistor，Spin-FET）的應(yīng)用中展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢(shì)。自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為自旋電子學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵器件，其性能的提升對(duì)于推動(dòng)下一代高速、低功耗電子器件的發(fā)展至關(guān)重要。硅烯納米帶具有較高的自旋極化率，這是其應(yīng)用于自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一。如前文所述，鋸齒型硅烯納米帶（Z-SiNRs）由于邊緣原子的特殊排列，存在未配對(duì)電子，導(dǎo)致邊緣處出現(xiàn)凈磁矩，從而產(chǎn)生顯著的自旋極化現(xiàn)象。這種高自旋極化率使得硅烯納米帶能夠有效地操控自旋電流，實(shí)現(xiàn)高效的自旋信息傳輸和處理。在自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，高自旋極化率意味著可以更精確地控制自旋相關(guān)載流子的輸運(yùn)，提高器件的開關(guān)速度和邏輯運(yùn)算能力。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比，硅烯納米帶的高自旋極化率能夠減少自旋散射，降低能量損耗，從而實(shí)現(xiàn)更低的功耗。這對(duì)于滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)低功耗、高性能的需求具有重要意義。硅烯納米帶的低功耗特性也是其在自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管應(yīng)用中的一大亮點(diǎn)。隨著電子器件的集成度不斷提高，功耗問題成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。硅烯納米帶的原子級(jí)薄二維結(jié)構(gòu)，使得電子在其中的輸運(yùn)路徑相對(duì)較短，減少了電子與晶格的散射概率，從而降低了電阻和功耗。在自旋輸運(yùn)過程中，硅烯納米帶的自旋極化特性能夠?qū)崿F(xiàn)自旋信息的非易失性存儲(chǔ)和傳輸，避免了傳統(tǒng)電子器件中由于電荷翻轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的能量消耗。這使得基于硅烯納米帶的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管在低功耗集成電路、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。硅烯納米帶還具有良好的兼容性和可加工性，能夠與現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝相結(jié)合。這為其在自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的大規(guī)模制備和應(yīng)用提供了便利條件。通過化學(xué)氣相沉積（CVD）、分子束外延（MBE）等技術(shù)，可以在不同的襯底上生長高質(zhì)量的硅烯納米帶，并通過微加工技術(shù)將其制備成自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)。這種兼容性和可加工性使得硅烯納米帶能夠快速融入現(xiàn)有的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，加速自旋電子學(xué)器件的商業(yè)化進(jìn)程。6.1.2自旋過濾器和存儲(chǔ)器硅烯納米帶在自旋過濾器和自旋存儲(chǔ)器中具有獨(dú)特的應(yīng)用原理和廣闊的發(fā)展前景，有望為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理領(lǐng)域帶來新的突破。在自旋過濾器方面，硅烯納米帶對(duì)不同自旋方向電子的過濾能力源于其特殊的自旋極化特性。以鋸齒型硅烯納米帶（Z-SiNRs）為例，由于其邊緣自旋極化效應(yīng)，在一定能量范圍內(nèi)，對(duì)自旋向上和自旋向下的電子表現(xiàn)出不同的導(dǎo)通和阻擋能力。通過精確控制硅烯納米帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如寬度、邊緣結(jié)構(gòu)）和外部條件（如外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定自旋方向電子的高效過濾。在特定的外加電場(chǎng)下，Z-SiNRs可以選擇性地允許自旋向上的電子通過，而阻擋自旋向下的電子，從而獲得高自旋極化的電流。這種自旋過濾特性在自旋電子學(xué)器件中具有重要應(yīng)用價(jià)值，可用于制備高性能的自旋過濾器。高自旋極化的電流在自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管、自旋邏輯電路等器件中，能夠提高器件的性能和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)更高效的信息處理。在自旋存儲(chǔ)器中，硅烯納米帶的自旋極化和自旋弛豫特性為實(shí)現(xiàn)非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了可能。自旋存儲(chǔ)器利用電子的自旋狀態(tài)來存儲(chǔ)信息，具有非易失性、高速讀寫、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。硅烯納米帶的自旋極化狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，能夠長時(shí)間保持存儲(chǔ)的信息。通過控制自旋極化方向的翻轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入和讀取。在一定的外加磁場(chǎng)作用下，硅烯納米帶的自旋極化方向可以發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入；而通過檢測(cè)自旋極化方向，可以讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。硅烯納米帶的自旋弛豫時(shí)間相對(duì)較長，這意味著存儲(chǔ)的信息在較長時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生丟失，提高了存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持能力。這使得基于硅烯納米帶的自旋存儲(chǔ)器在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，可用于開發(fā)高性能的固態(tài)硬盤、內(nèi)存等存儲(chǔ)設(shè)備。硅烯納米帶與其他材料的復(fù)合體系在自旋過濾器和存儲(chǔ)器中的應(yīng)用也具有研究價(jià)值。通過與磁性材料復(fù)合，可以進(jìn)一步增強(qiáng)硅烯納米帶的自旋極化特性和自旋過濾能力；與絕緣材料復(fù)合，可以改善硅烯納米帶的穩(wěn)定性和絕緣性能，提高自旋存儲(chǔ)器的性能。這種復(fù)合體系的設(shè)計(jì)為開發(fā)新型的自旋過濾器和自旋存儲(chǔ)器提供了新的思路和方法。6.2研究的不足與未來發(fā)展方向6.2.1現(xiàn)有研究的局限性當(dāng)前基于第一性原理對(duì)硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)的研究雖然取得了一定成果，但仍存在諸多局限性。在計(jì)算模型方面，目前的研究大多采用理想的周期性邊界條件和完美的晶體結(jié)構(gòu)模型，忽略了實(shí)際制備過程中硅烯納米帶不可避免地會(huì)存在各種缺陷和雜質(zhì)，如硅空位、替位原子、線缺陷、面缺陷以及吸附的外來原子等。這些缺陷和雜質(zhì)會(huì)破壞納米帶的周期性勢(shì)場(chǎng)，改變電子的散射機(jī)制，從而對(duì)自旋輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，但現(xiàn)有計(jì)算模型難以準(zhǔn)確描述這些復(fù)雜的實(shí)際情況。在考慮相互作用時(shí)，雖然已考慮了電子-聲子相互作用、自旋-軌道耦合等因素對(duì)自旋輸運(yùn)的影響，但對(duì)于一些多體相互作用，如電子-電子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用，在現(xiàn)有研究中往往采用簡化的近似方法進(jìn)行處理。在一些情況下，電子-電子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用可能會(huì)導(dǎo)致電子的集體行為發(fā)生改變，產(chǎn)生新的物理現(xiàn)象，影響自旋輸運(yùn)性質(zhì)。但由于多體相互作用的復(fù)雜性，目前的理論和計(jì)算方法還難以精確地描述這些相互作用，使得研究結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。此外，現(xiàn)有研究主要集中在靜態(tài)條件下對(duì)硅烯納米帶自旋輸運(yùn)性質(zhì)的研究，而對(duì)于動(dòng)態(tài)過程，如自旋極化電子在高速變化的電場(chǎng)、磁場(chǎng)作用下的輸運(yùn)行為，以及自旋輸運(yùn)過程中的瞬態(tài)響應(yīng)等方面的研究還相對(duì)較少。在實(shí)際的自旋電子器件應(yīng)用中，電子往往在動(dòng)態(tài)的外部條件下進(jìn)行輸運(yùn)，研究動(dòng)態(tài)過程中的自旋輸運(yùn)性質(zhì)對(duì)于理解器件的工作原理和性能優(yōu)化具有重要意義。但由于動(dòng)態(tài)過程涉及到時(shí)間依賴的量子力學(xué)問題，計(jì)算難度較大，目前相關(guān)研究還處于初步階段。6.2.2未來研究方向展望未來的研究可以從多個(gè)方向展開，以進(jìn)一步深入探究硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)性質(zhì)，推動(dòng)其在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，需要開展更多的實(shí)驗(yàn)研究，以驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如掃描隧道顯微鏡（STM）、角分辨光電子能譜（ARPES）、自旋極化掃描隧道顯微鏡（SP-STM）等，對(duì)硅烯納米帶的原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及自旋極化分布等進(jìn)行直接觀測(cè)。通過與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，修正和完善理論模型，提高理論研究的可靠性。在多物理場(chǎng)耦合研究方面，需要深入研究硅烯納米帶在多物理場(chǎng)（如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等）耦合作用下的自旋輸運(yùn)性質(zhì)。在實(shí)際的自旋電子器件應(yīng)用中，硅烯納米帶往往處于復(fù)雜的多物理場(chǎng)環(huán)境中，研究多物理場(chǎng)耦合對(duì)自旋輸運(yùn)的影響，有助于揭示自旋電子器件在復(fù)雜工作條件下的性能變化規(guī)律，為器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供更全面的理論依據(jù)。通過第一性原理計(jì)算結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，探究多物理場(chǎng)之間的相互作用機(jī)制，以及它們?nèi)绾螀f(xié)同影響硅烯納米帶的自旋輸運(yùn)性質(zhì)。新材料探索也是未來研究的重要方向之一。嘗試將硅烯納米帶與其他具有特殊物理性質(zhì)的材料復(fù)合，如磁性材料、拓?fù)浣^緣體、二維過渡金屬硫族化合物等。通過材料復(fù)合，引入新的物理效應(yīng)和相互作用，探索具有更優(yōu)異自旋輸運(yùn)性能的新型復(fù)合體系。研究硅烯納米