نانومقیاس

نانومقیاس

بررسی خواص الکترونی، اسپینترونیکی و ترموالکتریکی ساختار مولکولی حلقه بنزن محدود شده بین دو نانونوار گرافینی در حضور زیرلایه فرومغناطیس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 مرکز تحقیقات فناوری های کوانتومی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 دانشکده گروه فیزیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد دزفول،خوزستان ، تهران، ایران
3 گروه فیزیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد دزفول،خوزستان، ایران
چکیده
در این پژوهش، به بررسی و مطالعه خواص الکترونی، اسپینترونیکی و ترموالکتریکی ساختار یک مولکول بنزن و دو لایه مثلثی شکل گرافینی که بین دو نانونوار گرافینی نیمه بینهایت محدود شده اند، پرداخته می‌شود. فرض کرده ایم در اثر وجود یک زیر لایه فرومغناطیس در ناحیه وسط پتانسیل تبادلی به الکترون ها اعمال میشود و در نتیجه تبهگنی بین حالت های مختلف اسپینی شکسته می شود. همچنین یک پتانسیل گیت خارجی از بالا بر ناحیه پراکندگی اعمال شده است. فرض شده پتانسیل بایاس بین دو سر نمونه اعمال نشده و در عوض اختلاف دمای 20 کلوین بین دو سر ساختار باعث ایجاد جریان خواهد بود. مقاله حاضر با استفاده از روش تنگ بست به بررسی خواص ترموالکتریکی این سیستم اختصاص یافته و نتایج نشان می دهند ضریب سیبک برای هر دو حالت اسپین مقدار قابل توجهی خواهد داشت. ضریب شایستگی برای الکترون‌های با اسپین بالا و پایین از یکدیگر متفاوت بوده و برای اسپین پایین نسبت به حالتی که پتانسیل تبادلی وجود نداشته باشد افزایش ضریب شایستگی تا پانزده برابر نیز مشاهده شد. بر اساس نتایج بدست آمده، جریان الکتریکی وابسته به اسپین بین یک تا دو نانوآمپر برای حالت اسپینی بالا و بین هفت تا هشت نانو آمپر برای حالت اسپینی پایین خواهد بود. این در حالیست که بدون حضور پتانسیل تبادلی جریان وابسته به اسپین تا هزار برابر ضعیفتر است. در مورد جریان عبوری بدون ولتاژ بایاس، نتایج نشان می‌دهند که ساختار پل مولکولی مورد بررسی، در حضور پتانسیل تبادلی مغناطیسی، خاصیت فیلتری دارد. این پل مولکولی می‌تواند به عنوان یک فیلتر عمل کند که جریان با اسپین پایین یا بالا را بصورت انتخابی و بسته به ناخالصی معرفی شده عبور می‌دهد. در نتیجه، ساختار مولکولی مورد بررسی به عنوان یک پل ترموالکتریک با خواص منحصر به فرد و قابل تنظیم برای کاربردهای الکترونیکی مورد توجه قرار گرفته است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigation of Electronic, Spintronic, and Thermoelectric Properties in a Graphene Nanoribbon-Constrained Benzene Molecule in the presence of ferromagnetic substrate

نویسندگان English

Leila Eslami 1
Fatemeh Bourbour 2
Aziz Ghorban Shiravi zadeh 3
1 Quantum Technologies Research Center (QTRC), Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran
2 Department of Physics Education, Farhangian University, P.O. Box 14665-889, Tehran, Iran
3 Physics Department, Islamic Azad University, Dezful Branch, Khoozestan
چکیده English

In this research, we investigate and study the electronic, spintronic, and thermoelectric properties of a benzene molecule and two triangular graphene flakes confined between two semi-infinite graphene nanoribbons. We assume that the presence of a ferromagnetic sublayer in the middle of the structure induces an exchange potential, which in turn affects electron conductance by breaking the spin degeneracy between different spin states. We assume no bias potential is applied between the two ends of the sample; instead, a temperature difference of 20 K between the two ends of the structure generates a current. This article based on tight binding model focuses on the thermoelectric properties of this system, and the results show that the Seebeck coefficient for both spin states will have a significant value. The Seebeck coefficient for electrons with up and down spins differs from each other, and it exhibits a significant increase for the down spin state compared to a case with no exchange potential. It is observed that the spin-dependent electrical current ranges from one to two nanoamperes for the up-spin state and from seven to eight nanoamperes for the down spin state, while without the presence of the exchange potential, the current would be much weaker.

کلیدواژه‌ها English

Molecular devices
Benzene Molecule
Graphene Nanoribbon
Spintronics
Thermoelectric
[1]   Koumoto K, and Mori T. Thermoelectric Nanomaterials, Materials Design and Applications. Springer Series in Materials Science, 2013.
[2]  Mamur H, and Ahiska R. A review of Thermoelectric generators in renewable
energy. International Journal Renewable Energy research, 2014;4(1):128–136. DOI: 10.20508/ijrer.v4i1.1040.g6256
[3] Bell L E. Cooling, heating, generating power, and recovering waste heat with thermoelectric systems. Science 2008; 321(5895):1457–1461. DOI: 10.1126/science.1158899
[4] Hossain M S, Al-Dirini F, Hossain F M, and Skafidas E. High performance graphene nano-ribbon thermoelectric devices by incorporation and dimensional tuning of nanopores. Scientific Reports 2015;5:11297. DOI: 10.1038/srep11297
[5] Snyder G J, and Toberer E S. Complex thermoelectric materials. Nature Materials 2008;7: 105–114. DOI: 10.1038/nmat2090
[6] Kim W, and Kim K. Prediction of very large values of magnetoresistance in a graphene nanoribbon device. Nature Nanotechnology 2008; 3: 408-412. DOI: 10.1038/nnano.2008.163
[7] Diez-Perez I, Li Z, Hihath J, Li J, Zhang C, Yang X, Zang L, Dai Y, Feng X, Muellen K, Tao N. Gate-controlled electron transport in coronenes as a bottom-up approach towards graphene transistors. Nature Communications 2010;1:31. DOI: 10.1038/ncomms1029
[8] Hong X, Kuang Y, Qian C, Tao Y, Yu H, Zhang D, et al. Axisymmetric All-Carbon Devices with High-Spin Filter Efficiency, Large-Spin Rectifying, and Strong-Spin Negative Differential Resistance Properties. J Phys Chem C. 2016;120:668-676. DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b09180
[9] Han M, Ozyilmaz B, Zhang Y, Kim P. Energy Band-Gap Engineering of Graphene Nanoribbons. Phys Rev Lett. 2007;98(20):206805. DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.206805
[10] Rincón-García L, Evangeli C, Rubio-Bollinger G, Agraït N. Thermopower measurements in molecular junctions. Chem Soc Rev. 2016;45(15):4285-4306. DOI: 10.1039/C6CS00141F
[11] Liu Y, Chen X, Yang X. Spin thermoelectricity in dual-hydrogenated zigzag silicene nanoribbons with surface adsorptions. Phys Lett A. 2019;383(21):2492-2498. DOI: 10.1016/j.physleta.2019.05.010
[12] Farghadan R, Ildarabadi F. Gate-voltage-induced giant spin Seebeck effect in phosphorene nanoribbons. Phys Rev B. 2020;102(3):035430. DOI: 10.1103/PhysRevB.102.035430
[13] Ildarabadi F, Farghadan R. Carbon atomic chains in a spin thermoelectric device. J Magn Magn Mater. 2020;497:165980. DOI: 10.1016/j.jmmm.2019.165980
[14] Eslami L, Farshchi N, Maiti SK, Ahmadi S. Spin dependent molecular junction with graphene electrodes as a thermoelectric nanodevice. J Appl Phys. 2023;133(10):104301. DOI: 10.1063/5.0131642
[15] Ajeel FN, Ahmed AB. Tuning the thermoelectric properties of graphene nanoribbons by vacancy defect with Ge-doping. Chem Phys Impact. 2023;7:100367. DOI: 10.1016/j.chphi.2023.100367
[16] He SY, Shi HL, Yang J, Ren YH, Han QZ, Gong LJ, Jiang ZT. A comparative investigation into the thermoelectric properties of doped graphene nanoribbons in different doping manners. Diamond Relat Mater. 2023;135:109889. DOI: 10.1016/j.diamond.2023.109889
[17] Kalami R, Ketabi SA. Role of Linear Defects on the Electronic, Transport, and Thermoelectric Properties of Armchair Edge Silicene Nanoribbons. J Electron Mater. 2023;52:4644-4654. DOI:  
10.1007/s11664-023-10392-z 
[18] Kuo D M. Effects of metallic electrodes on the thermoelectric properties of zigzag graphene nanoribbons with periodic vacancies. Journal of Physics: Condensed Matter 2023;35:305301. DOI: 10.1088/1361-648X/accdac
[19] Zhou B, Yuan J, and Zhou X, and Zhou B. Even–odd effect of spin-dependent transport and thermoelectric properties for ferromagnetic zigzag phosphorene nanoribbons under an electric field. Journal of Physics: Condensed Matter 2020;32: 435502. DOI: 10.1088/1361-648X/aba676
[20] Kalami R, and Ketabi S A. Spin-dependent thermoelectric properties of a magnetized zigzag graphene nanoribbon. Progress in Physics of Applied Materials 2021;1:1-6. DOI: 10.22075/PPAM.2021.23053.1004
[21] Ildarabadi F, Farghadan R. Spin-thermoelectric transport in nonuniform strained zigzag graphene nanoribbons. Phys Rev B. 2021;103(11):115424. DOI: 10.1103/PhysRevB.103.115424
Top of Form
[22] Chakraborty S, Maiti SK. Possible routes for efficient thermo-electric energy conversion in a molecular junction. ChemPhysChem. 2019;20(6):848. DOI: 10.1002/cphc.201900030
[23] Farshchi N, Elahi SM, Esmaeilzadeh M, Eslami L, Darabi E. Pure spin and spin-polarized currents in a Y-shape phenalene molecular junction. Physica E. 2020;118:113944. DOI: 10.1016/j.physe.2019.113944
[24] Mahan GD, Sofo JO. The best thermoelectric. Proc Natl Acad Sci USA. 1996;93(15):7436-7439. DOI: 10.1073/pnas.93.15.7436
[25] Liu YS, Zhang X, Feng JF, Wang XF. Spin-resolved Fano resonances induced large spin Seebeck effects in graphene-carbon-chain junctions. Appl Phys Lett. 2014;104(24):242412. DOI: 10.1063/1.4884424
 [26] Aviram A, Ratner M. Molecular rectifiers. Chem Phys Lett. 1974;29(2):277-283. DOI: 10.1016/0009-2614(74)85031-1
[27] Reed MA, Zhou C, Muller CJ, Burgin TP,
and Tour J M. Conductance of a molecular junction.
Science 1997;278(5336):252-254. DOI: 10.1126/science.278.5336.252
[28] Reddy P, Jang SY, Segalman RA, Majumdar A. Thermoelectricity in molecular junctions. Science. 2007;315(5818):1568-71. DOI: 10.1126/science.1137149
[29] Trocha P, Barnas J. Spin-dependent thermoelectric phenomena in a quantum dot attached to ferromagnetic and superconducting electrodes. Phys Rev B. 2017;95(16):165439. DOI: 10.1103/PhysRevB.95.165439
[30] Kalami R, Ketabi SA. Effect of vertical magnetic field on the electronic and transport properties of armchair silicene nanoribbons. J Adv Mater Eng. 2023;42:41-52.
[31] Trocha P, Siuda E. Spin-thermoelectric effects in a quantum dot hybrid system with magnetic insulator. Sci Rep. 2022;12(1):5348. DOI: 10.1038/s41598-022-09105-z
[32] Wang H, Wang M, Qian C, Hong X, Zhang D, Liu YX, Yang X. Spin thermoelectric effects in organic single-molecule devices. Phys Lett A. 2017;381(20):1738-1744. DOI: 10.1016/j.physleta.2017.03.024
 [33] Rai D, Hod O, Nitzan A. Magnetic field control of the current through molecular ring junctions. J. Phys. Chem. Lett. 2011;2(17):2118-2124. DOI: 10.1021/jz200862r
[34] Ahmadi Fouladi A, Ketabi SA, Elahi SM, Sebt SA. Tunnel magnetoresistance of the heterocyclic molecular junctions: A Green's function approach. J Supercond Novel Magn. 2012;25:1965-1970. DOI: 10.1007/s10948-012-1544-y
[35] Liu Y, Zhang X, Feng J, Wang X. Spin-resolved Fano resonances induced large spin Seebeck effects in graphene-carbon-chain junctions. Appl Phys Lett. 2014;104(24):242412. DOI: 10.1063/1.4884424
[36] Hines T, Diez-Perez I, Hihath J, Liu H, Wang Z, Zhao J, et al. Transition from tunneling to hopping in single molecular junctions by measuring length and temperature dependence. J Am Chem Soc. 2010;132(33):11658-11664. DOI: 10.1021/ja1040946
[37] Gholami Z, Khoeini F. Vacancy tuned thermoelectric properties and high spin filtering performance in graphene/silicene heterostructures. Sci Rep. 2021;11(1):15320. DOI: 10.1038/s41598-021-94842-w
[38] Jayasekera T, Mintmire JW. Transport in multiterminal graphene nanodevices. Nanotechnology. 2007;18:424033. DOI: 10.1088/0957-4484/18/42/424033
Top of Form
[39] Li H, Chen Y, Xie Y, Zhong J. Spin transistor based on T-shaped graphene junctions. J Appl Phys. 2011;110(3):033701. DOI: 10.1063/1.3615951
[40] Farghadan R. Edge magnetism in triangular silicene quantum dots. J Magn Magn Mater. 2018;466:301-305. DOI: 10.1016/j.jmmm.2018.07.004
[41] Lopez Sancho MP, Lopez Sancho JM, Rubio J. Quick iterative scheme for the calculation of transfer matrices: Application to Mo (100). J Phys F: Metal Phys. 1984;14:1205-1215. DOI: 10.1088/0305-4608/14/5/016
[42] Patra M, Maiti SK. Modulation of circular current and associated magnetic field in a molecular junction: A new approach. Sci Rep. 2017;7:43343. DOI: doi.org/10.1038/srep43343
[43] Sivan U, Imry Y. Multichannel Landauer formula for thermoelectric transport with application to thermopower near the mobility edge. Phys Rev B. 1986;33(2):551-558. DOI: 10.1103/PhysRevB.33.551Top of Form
[44] Onsager L. Reciprocal relations in irreversible processes: II. Phys Rev. 1931;38(12):2265-2279. [45] Li J, Wang B, Xu F, Wei Y, Wang J. Spin-dependent Seebeck effects in graphene-based molecular junctions. Phys Rev B. 2016;93(19):195426. DOI: 10.1103/PhysRevB.93.195426
[46] Shokri A, Esrafilian M, Salami N. Quantum transport of tunnel field effect transistors based on bilayer-graphene nanoribbon heterostructures. Physica E. 2020;119:113908. DOI: 10.1016/j.physe.2019.113908
[47] Rodin AS, Carvalho A, Castro Neto AH. Strain-induced gap modification in black phosphorus. Phys Rev Lett. 2014;112(17):176801. DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.176801
[48] Galperin M, Nitzan A, Ratner MA. Heat conduction in molecular transport junctions. Phys Rev B. 2007;75(15):155312. DOI: 10.1103/PhysRevB.75.155312
[49] Ahmadi S, Raeisi M, Eslami L, and Rajabpour A. Thermoelectric Characteristics of Two-Dimensional Structures for Three Different Lattice Compounds of B−C−N and Graphene Counterpart BX (X = P, As, and Sb) Systems. J. Phys. Chem. C 2021;125(27):14525–14537. DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c03460
[50] Li J, Niquet YM, and Delerue C. Spin Seebeck effect and thermal properties of zigzag graphene nanoribbons with edge magnetism. Phys Rev B. 2023;107(24):245417.
Top of Form
[51]  Dekkiche H, Gemma A,  Tabatabaei F, Batsanov AS, Niehaus T, Gotsmann B, and Bryce MR. Electronic conductance and thermopower of single-molecule junctions of oligo (phenyleneethynylene) derivatives. Nanoscale, 2020; 12(36): 18908-18917. DOI: 10.1039/D0NR04413J
دوره 11، شماره 2
تابستان 1403
صفحه 11-1

  • تاریخ دریافت 14 آذر 1402
  • تاریخ بازنگری 15 دی 1402
  • تاریخ پذیرش 07 بهمن 1402