در این رساله رسانش الکترونی وابسته به اسپین در نانو ساختارهای پایه کربنی در چارچوب فرمولبندی ترابرد همدوس لاندائور و با استفاده از هامیلتونی بستگی قوی تک باندی و چند باندی، توابع گرین سطحی و ماتریس های انتقال بررسی و محاسبه می شود. ویژگی های مغناطیسی مورد بررسی، ناشی از خواص مغناطیسی تهی جای ها، اتمهای مغناطیسی ناخالصی و میدانهای خارجی است. بعلاوه خواص مغناطیسی نانو دیسک ها و نانو نوار های گرافینی با لبه های زیگزاگ و آرمچیر نیز مورد مطالعه قرار گرفته اند. هامیلتونی در برگیرنده این اثرات از مدل هابارد و مدل تنگ بست وابسته به اسپین به دست می آید و با روش حل خود سازگار و تقریب هارتری-فاک غیرمحدود محاسبه می شود. اثرات مغناطیسی و میدانهای خارجی در ترکیبات پایه کربنی، جریان هایی با قطبیدگی اسپینی و مقاومت مغناطیسی بالا ایجاد می نمایند. با استفاده از اثرات مربوط به اتم های مغناطیسی و ممان های مغناطیسی جایگزیده حاصل از تهی جای ها و لبه های مغناطیسی و درنظر گرفتن قضیه لایب، و اتصالات مغناطیسی می توان نانوساختارهای جدیدی را با خواص نیم رسانایی و یا فلزی برای تولید جریان هایی با اسپین، قطبیدگی بالا طراحی نمود. در ادامه برخی از دستاوردهای مهم رساله با ذکر جزئیات آن ذکر می شود. اول؛ با استفاده از نانو نوارهای آرمچیری با طراحی خاصِ کانال در ترانزیستورهای اثر میدانی نشان دادیم که بدون استفاده از میدان های مغناطیسی خارجی و اتم های مغناطیسی تنها با طراحی در نانو نوارهای آرمچیری ممان های مغناطیسیِ پایدار و جریان هایی با قطبیدگی بالا ایجاد می شوند. جریان های عبوری از این نوع فیلترهای اسپینی حساسیت بالایی را به ممان های جایگزیده و لبه-های زیگزاگ نشان می دهند و با اعمال ولتاژ الکتریکی می توان جریان های عبوری از کانال را کنترل و قطبیدگیی بیش از %90 ایجاد نمود. دوم؛ انتقال همدوس وابسته به اسپین الکترون در (نانولوله کربنی/ نانولوله کربنی دارای نقص/ نانولوله کربنی) نشان می دهد که تفاوت قابل ملاحظه ای در خواص الکترونی و ترابردی سیستم ذکر شده با یک نانولوله بدون نقص با در نظر گرفتن اثرات نقص های تهی جای وجود دارد. در نظر گرفتن آثار مغناطیسی مربوط به اختلال تهی جای سبب شکافتگی بین دو زیر نوار اسپینی الکترون می شود. با انتخاب مناسب پتانسیل های الکتریکی روی کانال و الکترودها می توان شدت های قطبیدگی جریان های اسپینی را کنترل کرد. سوم؛ اتصال نانو دیسک با طرح ها و لبه های مختلف آرمچیر و زیگزاگی نشان می دهد که ممان های مغناطیسی لبه ها در نانو دیسک با لبه زیگزاگی شکل، به صورت آنتی فرو مغناطیس با اتصالات فرومغناطیسی آهن جفت می شوند حضور اتصالات آهنی حالت های الکترونی ومغناطیسی نانو دیسک ها را در لبه های زیگزاگ و آرمچیری تغییر می دهد، و سبب ایجاد مغناطش در لبه های دیسک می گردد. علاوه بر آن مقاومت مغناطیسی بالایی در انواع مختلف نانو دیسک گرافینی ایجاد می شود که در انرژی های پایین تغییرات شدیدی را بر حسب ولتاژ و تغییر مغناطش های لبه ای نشان می دهند. چهارم؛ با اتصال نانو دیسک گرافینی با لبه های زیگزاگی به الکترودهای مغناطیسی و غیر مغناطیسی، دیسکِ گرافینی همانند یک فیلتر اسپینی عمل می کند و جریان هایی با قطبیدگی بالا را ایجاد می نماید. نهایتاً؛ با استفاده از نانو نوار زیگزاگی گرافین و اعمال میدان الکتریکی و مغناطیسی در قسمت کوچکی از نوار به عنوان کانال، جریان های اسپین قطبیده ایجاد کرده ایم. اعمال میدان الکتریکی و مغناطیسی در قسمت بسیار کوچکی از نانونوار زیگزاگی به عنوان کانال جریان های اسپین قطبیده با قطبش بالا ایجاد می نماید. اتصال طراحی شده در برخی از انرژی ها حتی با وجود نقص های شبکه ای و نواقص مغناطیسی همانند یک اسپین فیلتر با قطبیدگی کامل عمل می کند.

در این پایان¬نامه ما به بررسی تاثیر میدان الکتریکی بر کنترل خواص الکترونی، مغناطیسی نانوحلقه¬ها و نانودیسک¬های گرافینی به منظور استفاده در نانوترانزیستورهای وابسته به اسپین می¬پردازیم. با توجه به تنگ بست قوی تک¬نواری و مدل میدان متوسط هابارد، از حل معادله پواسن به منظور در نظر گرفتن اثر میدان الکتریکی(پتانسیل در هر جایگاه اتمی) استفاده کردیم. با در نظرگرفتن میدان¬های الکتریکی متفاوت، خواص الکترونی و مغناطیسی نانو¬ساختارهای مختلف را به منظور استفاده در کانال نانوترانزیستورهای مغناطیسی و طراحی مناسب برای آنها، مورد بررسی قرار می¬دهیم. خواص الکترونی و مغناطیسی ترکیبات پایه کربنی به شدت از هندسه¬ی این ساختارها تاثیر می¬گیرد. لذا ما به بررسی نانودیسک¬های گرافینی تک¬لایه با هندسه¬های مستطیلی، شش ضلعی، مثلثی، نانودیسک¬گرافینی دولایه¬ی مستطیلی و نانوحلقه¬های گرافینی با هندسه¬های شش ضلعی، مثلثی و دایره¬ای با لبه¬های زیگزاگ و آرمچیر می¬پردازیم.اهمیت خواص ویژه¬ی نانوحلقه¬های گرافینی در کوانتش شار آهارانوف-بوهم، ما بر آن داشت تا تمرکز خود را روی خواص الکترونی اثرات تداخلی آهارانوف-بوهم در حضور میدان الکتریکی معطوف کنیم.نتایج نشان می¬دهد که اعمال میدان الکتریکی عرضی حتی در بخش کوچکی از حلقه شش ضلعی، گشتاور مغناطیسی را در تمام اتم¬های لبه زیگزاگ، بصورت متقارن کاهش می¬دهد. بعلاوه حالت¬های اسپینی و الکترونی در ساختارهای نانوحلقه¬ها را می¬توان با استفاده از یک میدان الکتریکی دستکاری کرد. با تغییرات شدت میدان الکتریکی که ناشی از وابستگی چگالی¬های اسپین به شکل¬ها و لبه¬های این نوع از نانوحلقه¬هاست، رفتار واقطبیدگی اسپینی متفاوتی مشاهده شد. در مورد حلقه¬های کوانتومی مثلثی، مغناطش بر روی لبه¬های داخلی و خارجی می¬تواند بصورت انتخابی تنظیم و واقطبیدگی حالت¬های اسپینی به تدریج به اندازه شدت میدان افزایش یابد در حالی که در مورد نانوحلقه¬های شش ضلعی، میدان الکتریکی عرضی گشتاورهای مغناطیسی در هر دو لبه داخلی و خارجی را بصورت متقارن و به سرعت کاهش می¬دهد. هم¬چنین، در ناودیسک¬های گرافینی مستطیلی دولایه جالب توجه است که با افزایش شدت میدان، گاف اسپینی بین دو شاخه اسپینی بطور متفاوت تنظیم می¬شود، اما مغناطش خالص صفر باقی می¬ماند. همچنین برآورد شده است که، میدان الکتریکی عمود، گشتاورهای مغناطیسی را در هر لایه بصورت نامتقارن و متفاوت کاهش می¬دهد. علاوه بر این، نوسانات آهارانوف-بوهم در انواع نانوحلقه¬ها، متاثر از میدان الکتریکی به ویژه نزدیک انرژی فرمی بوده و از این رو کاهش دامنه نوسانات در ساختار نانوحلقه¬ها دیده می¬شود. بطور خلاصه، با انتخاب نحوه¬ای مناسب برای اعمال میدان الکتریکی و تنظیم شدت آن می¬توان خواص مغناطیسی و الکترونی را در نانودیسک¬ها و نانوحلقه¬های گرافینی کنترل نمود.

زنجیر¬های کربنی ساختارهای یک بعدی هستند که اخیراً با استفاده از روش¬های تجربی، به صورت پایدار، تولید می¬شوند. این ساختارها نسبت به نانونوارهای گرافینی و نانولوله¬های کربنی، خصوصیات بارزی دارند. آرایش پیوندی در این زنجیر¬های کربنی منجر به خواص ویژه از جمله رسانندگی بالا می-شود. همچنین حالت¬های جفت نشده در این زنجیر¬ها باعث ایجاد خواص مغناطیسی می¬گردند. از سوی دیگر انتظار می¬رود این زنجیر¬ها به دلیل ساختار غیرصلب، به شدت تحت تأثیر بر هم کنش¬های فونونی قرار گیرند. در این تحقیق مدل سو-شریفر-هیگر (ssh) برای بررسی ترابرد در حضور و عدم حضور اثرات فونونی و مدل hh به منظور مطالعه¬ی ترابرد همدوس وابسته به اسپین انتخاب شده است. همچنین با استفاده از فرمول¬بندی لاندائور-بوتیکر به بررسی ترابرد عبوری از زنجیر¬های کربنی خواهیم پرداخت. ساختار پیشنهادی ما یک زنجیر¬ کربنی متصل به دو نانونوار گرافینی زیگزاگ می¬باشد. نتایج مربوط به مدل ssh نشان می¬دهد که زنجیر¬های ساده با تعداد اتم زوج به شدت تحت تأثیر بر هم کنش ¬های فونونی قرار می¬گیرند. در حالی که برای زنجیر¬های فرد این چنین نخواهد بود. بر اساس نتایج ما، زنجیر¬های کربنی فرد برای ساختارهای نانوالکترونیک مناسب¬تر از زنجیر¬های زوج می¬باشند. علاوه بر زنجیر¬های ساده، زنجیر¬های بنزنی نیز با استفاده از مدل ssh بررسی شدند. بنابر نتایج حاصل، مشخص شد که در مورد این زنجیر¬ها نیز، مانند زنجیر¬های ساده، در حالت زوج بر هم کنش¬های فونونی به شدت بر ترابرد تأثیر می¬گذارد. در این نوع زنجیر¬ها، به دلیل کاهش تعداد پیوندهای مقدار ترابرد کاهش می¬یابد. خواص الکترونی زنجیر¬های کربنی با استفاده از مدل hh بررسی شد. این مدل رقابت بین بر هم کنش-های الکترون-الکترون و الکترون-فونون را نشان می¬دهد. آرایش پیوندی متفاوت منجر به خواص الکترونی مختلفی برای زنجیر¬های زوج و فرد می¬شود. بنابراین مغناطش محاسبه شده برای زنجیر¬های فرد مقدار قابل توجه¬تری نسبت به زنجیر¬های زوج دارد. با وجود ضعیف بودن مغناطش¬ها، دو جریان با اسپین بالا و پایین تا حدودی از هم جدا می¬شوند. افزایش اثرات فونونی باعث کاهش مغناطش¬ها می-گردد. یک زنجیرِ بنزن¬دار نیز در صورتی که با استفاده از یک زنجیرِ ساده¬ی فرد به یکی از الکترودهای گرافینی متصل شود، حالت جفت نشده¬ای خواهد داشت که مغناطش خالص ایجاد می¬نماید. در حالی که برای زنجیر¬های ساده¬ی زوج در این حالت، نتایج متفاوتی خواهیم داشت. این نتایج می¬تواند برای بهینه کردن ساختارهای مغناطیسی و بهبود کارایی و افزایش بازده نانوترانزیستورها مورد توجه قرار گیرد.

وجه اصلی تمایز کار ما این است که اتصالات نانو ترانزیستورهای اثر میدانی، از نوع اتم های کربن می باشند، که در زیر به تفصیل شرح می دهیم. 1- ترانزیستورهای طراحی شده سه پایانه ای می باشندکه کنترل جریان خروجی توسط اتصال گیت به کانال صورت می گیرد. 2- جنس الکترودها گرافن و از نانو نوارهای مختلف می باشند همچنین جنس کانال نیز از دیسک یا حلقه گرافنی می باشد که موجب کاهش اثرات مقاومت سطح تماس می شود. 3- تمرکز روی اتصالات نانو نوارهای آرمچیری می باشد که معمولا از نانو نوارهای لبه زیگزاگ استفاده می شود. 4- با توجه به نتایج در طراحی نانو ترانزیستورهای سه پایانه ای سعی در بالا بردن قطبش اسپین الکترون می باشدکه با اتصال گیت این جریان را کنترل و تقویت می کنیم. از طرفی جریان های خروجی، جریان های وابسته به اسپین می باشند.

در این پایان نامه ما به منظور بهبود خواص الکترونیکی و کاربردی به بررسی نانوساختارهای سیلیسنی با استفاده از مدل تنگ-بست چند باندی می پردازیم. با استفاده از فرمول بندی اسلیتر و کوستر در مدل تنگ-بست به بررسی و تحلیل باندهای پیوندی سیگما و پای در نانوساختارهای سیلیسنی از جمله نانو نوارها، پولک های سیلیسنی و یک صفحه ی سیلیسنی خواهیم پرداخت. نقش تمامی پیوندها را در خواص الکترونیکی این نانوساختارها مورد بررسی قرار خواهیم داد. همچنین، به دلیل نزدیکی نتایج تئوری به تجربی و کاربردی بودن نتایج به بررسی نقص تهی جای بر خواص الکترونی نانوساختارهای سیلیسنی و نقش آلایندگی در این نانوساختارهای می پردازیم. تغییرات خواص الکترونیکی نانوساختارهای سیلیسنی را تحت اثر آلایندگی نیتروژن و هیدروژن مورد بررسی قرار می دهیم. نشان خواهیم داد که می توان با استفاده از آلایندگی مطلوب به دلیل کنترل پذیر بودن گاف انرژی در این نانوساختارها، از آن ها در طراحی ترانزیستورهای اثر میدانی بهره برد. همچنین تغییرات ناشی آلایندگی نیتروژن و هیدروژن بر روی باندهای پیوندی سیگما می تواند نقش موثری در تغییر خواص اپتیکی سیستم داشته باشد. بنابراین ترانزیستوهای اثر میدانی مبتنی بر نانوساختارهای سیلیسنی می تواند به عنوان ترانزیستور اثر میدانی در دمای اتاق فعالیت کند.