低維石墨烯納米體系的電子結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)機(jī)理研究.pdf

1、本論文在闡述了分子電子學(xué)產(chǎn)生背景和分子器件應(yīng)用前景的基礎(chǔ)上，采用了基于密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)輸運(yùn)理論相結(jié)合的第一性原理計(jì)算方法，系統(tǒng)地研究了分子體系的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)。著重研究了配位原子摻雜、分子鏈的長(zhǎng)度、電極-分子的接觸類(lèi)型、分子結(jié)的構(gòu)型、化學(xué)修飾以及門(mén)壓等對(duì)體系電子輸運(yùn)性質(zhì)的影響。觀察到明顯的負(fù)微分電阻行為、電學(xué)整流效應(yīng)，深入探討了分子器件中的開(kāi)關(guān)比、自旋過(guò)濾以及自旋極化等，并給出了相應(yīng)的輸運(yùn)量子調(diào)控的理論機(jī)理。本論文主要研

2、究以下幾部分內(nèi)容:
　　運(yùn)用基于密度泛函數(shù)理論和非平衡態(tài)格林函數(shù)電子輸運(yùn)計(jì)算相結(jié)合的第一性原理方法，我們研究了用雙N原子取代摻雜兩個(gè)準(zhǔn)相鄰晶格C原子的扶手型石墨烯納米條帶的電子能帶結(jié)構(gòu)及電荷輸運(yùn)特性。研究結(jié)果表明N2AA摻雜扶手性納米條帶的電學(xué)性能根據(jù)N2AA的位置不同可以呈現(xiàn)半導(dǎo)體和金屬特性，因此我們可以通過(guò)調(diào)控N2AA位置實(shí)現(xiàn)扶手型石墨烯納米條帶的開(kāi)關(guān)效應(yīng)。我們所構(gòu)建的體系在半導(dǎo)體和金屬性質(zhì)之間的轉(zhuǎn)變主要?dú)w根于N原子和C原子的

3、Pz軌道之間的耦合作用。此外在這種雙N摻雜的扶手型納米條帶器件中，我們可以觀察到明顯的負(fù)微分電阻效應(yīng)。因此通過(guò)調(diào)控N2AA位置可以使分子體系呈現(xiàn)完全不同的電荷輸運(yùn)性質(zhì)。
　　接著，我們研究了在不同寬度的N2AA摻雜的扶手型石墨烯納米條帶器件的輸運(yùn)性質(zhì)。我們用N2AA取代分子器件中一個(gè)電極的中心或者邊緣的雙C原子，而體系的另一個(gè)電極則不摻雜。結(jié)果表明，分子器件的電子輸運(yùn)性質(zhì)不僅依賴(lài)雙N原子的摻雜位置，而且也受納米條帶寬度的影響。通過(guò)

4、調(diào)節(jié)扶手型石墨烯納米帶的寬度以及N2AA的位置，可以有效的調(diào)控器件的整流率。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，寬度為10的邊界N2AA摻雜的扶手型石墨烯納米分子器件的整流比最大，而且我們證明了體系左右電極能帶的匹配以及其對(duì)應(yīng)的分子投影自洽哈密頓量間的耦合作用是產(chǎn)生明顯整流效應(yīng)的根本原因。
　　運(yùn)用密度泛函理論與非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的方法，我們研究了邊緣鈍化的鋸齒形石墨烯納米帶異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)特性。計(jì)算結(jié)果表明sp2和sp3共存可以使鋸齒形石墨烯納米帶變成具

5、有穩(wěn)定帶隙的半導(dǎo)體材料。我們發(fā)現(xiàn)邊界為sp2和sp3鈍化的鋸齒形石墨烯納米條帶之間軌道對(duì)稱(chēng)不匹配抑制了電導(dǎo)邊界態(tài)，而且?guī)兜拇笮≈饕怯蓅p2邊界鋸齒形石墨烯納米帶的第二最高價(jià)帶與第二最低導(dǎo)帶之間的能量差來(lái)決定。研究發(fā)現(xiàn)sp2和sp3邊界鈍化的鋸齒形石墨烯納米條帶的半導(dǎo)體特性也受條帶寬度的影響，在寬度為奇數(shù)時(shí)，分子器件的能隙都較小，且?guī)峨S其寬度的增加遞減地很快。而當(dāng)寬度為偶數(shù)時(shí)，體系的帶隙都相對(duì)比較大，其隨寬度遞減比較緩慢。
　

6、　我們研究了單碳鏈通過(guò)不同的連接方式夾在兩個(gè)鋸齒形石墨烯納米條帶電極中間組成的碳鏈分子結(jié)的自旋輸運(yùn)性質(zhì)。通過(guò)改變碳鏈與鋸齒形石墨烯之間的連接方式調(diào)制器件自旋輸運(yùn)特性。結(jié)果表明，當(dāng)體系左右電極處于反鐵磁態(tài)時(shí)，整體電導(dǎo)能力較弱，表現(xiàn)為半導(dǎo)體性質(zhì)。而體系處于鐵磁態(tài)時(shí)，自旋向下的電子被抑制，仍然保持絕緣體性質(zhì)，而自旋向上的電子電導(dǎo)能力較好，表現(xiàn)為金屬性，因而在費(fèi)米能附近出現(xiàn)完美的自旋分離效應(yīng)。在碳鏈長(zhǎng)度確定的情況下，53連接的構(gòu)型的自旋向上的電

7、子比56/36分子結(jié)的導(dǎo)電性能較好。其次，這些不對(duì)稱(chēng)分子器件的自旋輸運(yùn)在一定的能量范圍內(nèi)都表現(xiàn)100％的自旋電流極化效應(yīng)。進(jìn)一步研究表明，這些完美自旋過(guò)濾效應(yīng)主要與不對(duì)稱(chēng)體系的分子軌道與電極耦合強(qiáng)度有關(guān)。
　　研究了一種由鉻卟啉連接兩條單原子碳鏈夾在半無(wú)線長(zhǎng)的鋸齒形石墨烯納米條帶中間所組成的分子器件的自旋輸運(yùn)性質(zhì)。研究結(jié)果表明，當(dāng)體系處于P態(tài)時(shí)，費(fèi)米能處自旋向下的電子被抑制，其自旋向上的電子態(tài)密度分布卻是離散的，說(shuō)明自旋向上的電子

8、在體系中電導(dǎo)較好，表現(xiàn)為金屬性;而當(dāng)體系處于AP態(tài)時(shí)，體系中的電子的傳輸能力被強(qiáng)烈抑制，使體系呈半導(dǎo)體性。此外，體系在P態(tài)與AP態(tài)都能具有100％的自旋電流極化效應(yīng)，而且在AP中有整流比高達(dá)104的整流效應(yīng)。因此，我們構(gòu)建的器件中能表現(xiàn)有整流效應(yīng)、負(fù)微分電阻效應(yīng)以及自旋極化為100％的自旋分離效應(yīng)等多種分子開(kāi)關(guān)行為共存性質(zhì)。進(jìn)一步的研究表明，這些自旋效應(yīng)主要?dú)w根于鋸齒形石墨烯納米帶的π和π*子帶所固有的自旋輸運(yùn)選擇以及分子軌道與電極之間