中文摘要：

本申请课题拟针对石墨烯材料特有的边缘态的操控和探测问题展开理论研究。石墨烯是最近才从实验上获得的二维石墨材料，被视为纳米电子学的器件载体材料。所谓边缘态是指依附于石墨烯zigzag型边界的一种局域化的电子态，普遍存在于各种石墨烯纳米结构之中，等价于和传导电子耦合的量子点。但和普通量子点相比，石墨烯边缘态更便于制备，而且有电荷、自旋和赝自旋多种自由度来作为信息处理的载体。所以本课题提出的是建立在新材料和新概念之上的单量子态的操控和探测方案。我们将全面系统地研究石墨烯边缘态的能级、简并度、自旋和赝自旋的极化状态等电子特性随zigzag边界尺寸、杂质及外场调制等因素的变化规律。对于包括边缘态的多种石墨烯介观结构，计算其电子输运谱（即电导-费米能级谱和I-V特性谱），以确定边缘态上的电子状态和电子输运谱的对应关系。从而实现如下研究目的基于石墨烯边缘态，建立单量子态操控和探测的新方案。

结论摘要：

本受资助课题针对石墨烯中的边缘态的特性和调控开展了系统的理论研究。重点在于研究石墨烯边缘态的电子自旋和谷自由度的调控，进而提出设计石墨烯纳米电子器件的理论模型。具体地讲，本课题主要开展了如下几项研究工作并取得了相应成果（1）研究了3d过渡金属原子掺杂对石墨烯边缘态磁性的调制，发现钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、镍(Ni)、铜(Cu)或锌(Zn)在掺杂于zigzag型条带边界时可以很好地抑制该边界的自发磁化，而对另一边缘的磁性几乎没有影响。这种具有单侧磁性的条带可以用来实现自旋极化的电子输运。（2）研究发现石墨烯边缘态除依附于zigzag边缘之外，还可存在于石墨烯线缺陷周围。石墨烯中存在一种实验上可控生长的一维线缺陷，它的基本平移单元由两个五边环加一个八边环组成。我们建立了一种跨越线缺陷的波函数连接条件，在此基础上可以利用Dirac方程解析地研究线缺陷诱导的边缘态。我们的理论研究发现了两种边缘态，一种是相对于线缺陷的奇宇称边缘态，它是无色散的平带，另一种是线性色散的偶宇称边缘态。在外加磁场或赝磁场下，这种线缺陷边缘态进化成谷手征性的量子Hall边缘态，即其电子传播方向和其谷自由度互相锁定。（3）利用这种线缺陷诱导的谷手征性边缘态，我们发现在石墨烯线缺陷超晶格结构中，在赝磁场下的嵌有线缺陷的石墨烯条带中，以及嵌有线缺陷的碳纳米管中，电子输运过程中都会表现出谷过滤及谷阀效应。（4）我们系统地研究了嵌有线缺陷的石墨烯吸附3d过渡族原子后其电子性质的各种变化。和普通的石墨烯晶格点相比，线缺陷对从Se到Cu各种3d过渡族原子都具有明显更强的吸附能力。当线缺陷吸附Co或Fe原子后，电子输运表现出非常明显的自旋过滤效应，在0.6V的偏压下，其自旋极化效率分别达到85%和97%。（5）我们发展了存在线缺陷情况下石墨烯中电子格林函数的解析理论，在此基础上，可以计算线缺陷周围的磁性杂质之间的RKKY相互作用。我们发现，即使存在线缺陷，石墨烯中RKKY相互作用特有的R-3衰减规律仍然正确。但是，由于线缺陷诱导的边缘态的存在，Saremi-Rule不再成立。 更为重要的是，在线缺陷周围的RKKY相互作用比普通石墨烯晶格点之间的RKKY相互作用要大一至两个数量级。这些效应都是由线缺陷诱导的边缘态引起的。我们希望这些理论成果能为操控石墨烯中单量子态的实验研究提供有价值的理论信息