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石墨烯,一种内禀的二维拓扑绝缘体。它被认为是很有前景的自旋电子学候选材料源于其载流子的拓扑性质和能够操控旋转自由度的自旋轨道耦合。增大石墨烯体系的自旋轨道耦合可以诱导各种拓扑现象,如量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应等,也可以应用到自旋电子学领域。而最早理论预言的量子自旋霍尔效应就是在石墨烯上,只是其自身的自旋轨道耦合很弱在狄拉克点处打开的帯隙较小,实验上根本观测不到。之后一些实验和理论计算对自旋轨道耦合效应又做了进一步研究,比如实验上能够在一些量子阱中观测量子自旋霍尔效应,但是极低的温度和超高质量的样品限制了它在低能耗的电子学领域的潜在应用。想要增大石墨烯的自旋轨道耦合强度同时不显著影响其基本物理性质被证明是非常困难的。本论文采用第一性原理计算方法,基于补偿性n-p共掺杂思想系统的研究了以下两个方面的内容:1.我们研究了(铊)Tl和F4-TCNQ(四氟四氰二甲基对苯醌)共掺杂石墨烯体系的电子结构,结果显示能够产生一个大的、内禀的带隙值26.9me V,更重要的是,F4-TCNQ/石墨烯体系上重金属原子Tl不同吸附位置构建的多种构型对混合体系的带隙几乎无影响;进而改变重金属原子Tl的掺杂浓度,Tl/石墨烯/F4-TCNQ共掺杂体系的带隙也随之改变。这研究为实验研究和高温量子自旋霍尔效应的实际应用提供了一种新的解决方案。2.我们研究了铊(Tl)-硼(B)和铊(In)-硼(B)共掺杂石墨烯体系的电子结构和自旋电子学性质。结果显示它可以同时解决单个原子吸附在石墨烯上的所有的缺点,n-p补偿性共掺有助于保护电荷载体的狄拉克性质;有效的产生大的Rashba自旋轨道劈裂,自旋劈裂能绝对值?(35)so?在?带达到130me V,另外,B掺杂效应和内在的自旋轨道耦合(吸附Tl引起)也能够使体系打开20-90me V范围内的带隙。这项研究为设计新型的石墨烯基自旋电子学材料提供了理论依据。