بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک ترانزیستور اسپینی که در آن سه نانونوار آرمچیری به حلقهی مثلثی گرافنی لبه زیگزاگ متصل شده است بررسی می کنیم. با استفاده از مدل میدان مؤثر هابارد و فرمولبندی لاندائور-بوتیکر به بررسی ترابرد اسپینی چند پایانهای میپردازیم. با اعمال ولتاژ در یکی از الکترودها میتوان جریان اسپینی عبوری از دو پایانهی دیگر را کنترل کرد. همچنین بر اساس نتایج، با استفاده از این قطعهی سه پایانهای میتوان قطبش بالای اسپینی تولید نمود.
مقدمه
اسپینترونیک پدیدهی جدیدی است که سعی به استفاده از درجه آزادی اسپین علاوه بر بار، در الکترونیک امروزی دارد .[1] از ویژگیهای بارز قطعات طراحی شدهی وابسته به اسپین، میتوان به افزایش حجم اطلاعات ذخیره شده در یک بیت کوانتومی و نیز افزایش سرعت محاسبات در پردازندهها اشاره نمود .[2] یافتن ترکیبات جدید پایه کربنی و شناسایی خواص الکترونی و مغناطیسی نانوقطعات طراحی شده بر مبنای اتمهای کربن و به طور ویژه گرافن، از جمله موضوعات قابلتوجه در این شاخه می- باشد.
با کشف گرافن به عنوان مستحکمترین و در عین حال نازک-ترین ماده در جهان، این ماده توجه زیادی را به خود جلب نموده است. انتقال الکترون در گرافن توسط معادله دیراک شرح داده می-شود که بر این اساس حاملان بار، ذرات نسبیتی با جرم صفر هستند. چگالی جریان در گرافن یک میلیون برابر بیشتر از مس است؛ اما با این حال رسانایی گرافن، حتی در صورت صفر شدن شدت حاملهای بار، از یک کوانتش رسانندگی کمتر نخواهد شد.
ویژگیهای الکترونی این ماده به طور وسیع توسط تئوریهای زیادی مورد بحث و بررسی قرار گرفتهاست و بعید نیست که این اطلاعات پایه به زودی به یک تجدید نظر برسد4] ،.[3 خواص الکترونی یک سیستم کربنی در مقیاس نانومتری به شدت به اندازه و شکل آن بستگی دارد .[5] در سالهای اخیر محققین توانستهاند از گرافن دو بعدی ساختاری دیگری بنام حلقه ایجاد کنند که چالشی جدیدی در زمینه مطالعه جریان ثابت بوجود آوردهاست. حلقههای گرافنی دارای شکلهای دایرهای، مثلثی، شش ضلعی و ... هستند .[6] در لبه زیگزاگ شکل نوارهای انرژی در سطح فرمی مسطح است که با اعمال پتانسیل موثر هابارد موجب ایجاد مغناطش در لبهها میشود .[7] در این مقاله قصد داریم با استفاده از مغناطش موجود در لبهها جریانهای اسپینی را کنترل نماییم .[2]
بحث و نتایج
ما با ارائه طرح جدید ترانزیستورهای گرافنی سه پایانهای و ارائه مدل محاسباتی مناسب به شبیه سازی آن می پردازیم. در این ترانزیستورها الکترود سوم نقش الکترود گیت را در ترانزیستورهای اثر میدانی ایفا میکند. اعمال میدان الکتریکی در یکی از اتصالات کربنی علاوه بر کاهش اثرات مربوط به همپوشانی میدان الکتریکی، توزیع مغناطیسی لبههای زیگزاگی خارجی در حلقه را از بین برده
و یک کانال با توزیع فرومغناطیسی ایجاد مینماید.
در واقع لبههای بیرونی و داخلی حلقه به بصورت زیگزاگ میباشند و به همین دلیل کاملاً مغناطیسی خواهند بود. این در حالی است که در ناحیه-ی الکترودها و پایانهی گیت از سه نانونوار آرمچیری غیرمغناطیسی استفاده شده است. بنابراین میتواند با طرح مناسب و کنترل مقادیر استفاده از خواص اسپینی نیازمند کاربرد اتصالات مغناطیسی پتانسیل گیت، تبهگنی جریانهای اسپینی بین الکترودهای سورس در ترکیبات گرافنی است.
این موضوع از دو نظر کاربرد گرافن را و درین را از بین برده و جریان اسپینی قطبیده ایجاد نماید. در ترانزیستورهای اسپینی با محدودیت مواجه میکند. نخست این ساختارهای کربنی، مقاومت های سطح تماس محل اتصال کانال را که اتصال گرافن به یک فلز ضمن محدودیتهای تجربی باعث کاهش می دهند. ایجاد پراکندگی، کاهش جریان و عدم کنترل دقیق جریان میشود، دوم این که استفاده از اتصالات مغناطیسی پراکندگیهای اسپینی را افزایش داده و قطبیدگی جریانها بشدت کاهش مییابد.
شکل: 1 طرح - a - شماتیک دستگاه است که چگونگی اتصالات را نشان میدهد و رنگ قرمز در اتصالات بیانگر جفتشدگی روی کانال است و دایرههای داخل حلقه متناسب با مغناطش میباشد. طرح - b - اختلاف جمعیتی اسپین بالا - رنگ آبی - و اسپین پایین - رنگ قرمز - در اطراف سطح فرمی را نشان میدهد. همان طور که در شکل1a می بینیم محل اتصالات به گونهای انتخاب شدهاند که بتوان از اسپین پایین یا بالای لبه بیرونی حلقه صرف نظر کرد. پس مغناطش روی لبه اتصالات را کاملاً، از بین برده و یک دیسک فرومغناطیس با توزیع اسپینی خاص داریم. در شکل1b از آنجا که جمعیت اسپین بالا و پایین در اطراف سطح فرمی متفاوت میباشد، میتوان این ماده را کاملاً فرومغناطیس دانست.
شکل: 2 ضریب عبور بین دو الکترود سورس و درین است. رنگ آبی اسپین بالا و رنگ قرمز اسپین پایین می باشد. Vg=0 - a - و .Vg=1 - b - اعمال ولتاژ گیت منجر به کنترل جریان عبوری بین سورس و درین خواهدشد که این کنترل جریان از طریق کنترل ضرایب عبور حاصل میشود. همانطور که در شکل2a و شکل2b مشاهده می- شود، در بازههایی از انرژی احتمال عبور اسپین بالا و پایین با هم
برابر و جریانها تبهگن خواهند بود. در واقع در غیاب ولتاژ گیت، جریانهای اسپینی در بعضی بازهها تبهگن میباشند. در حالی که بر اساس شکل2b ، با اعمال ولتاژ گیت با مقدار یک ولت این تبهگنی تا حد زیادی از بین خواهد رفت. به این ترتیب اثر اسپین-فیلتر رخ داده و جریان قطبیده ایجاد میگردد که این موضوع از اهمیت بالایی برخوردار است.
