碳納米管-石墨烯異質(zhì)結(jié)電輸運(yùn)性質(zhì)與機(jī)理的理論研究.pdf

1、隨著電子器件微型化的發(fā)展，硅基半導(dǎo)體器件已漸近其材料與物理極限。碳基分子器件被認(rèn)為是取代硅基電子器件的最佳選擇。新型碳基材料如石墨烯，碳納米管等因其優(yōu)良物理性能正成為制造下一代新型電子器件材料的主力軍。近年來，石墨烯/碳納米管復(fù)合材料越來越受到關(guān)注，因?yàn)樗粌H具有石墨烯和碳納米管各自的各種優(yōu)良特性，還表現(xiàn)出石墨烯和碳納米管所不具備的優(yōu)異物理化學(xué)性能，并已可成功應(yīng)用于電容器、光電器件、儲(chǔ)能電池、電化學(xué)傳感器等領(lǐng)域。
　　本論文采用基

2、于密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)的第一性原理方法，較系統(tǒng)地研究了多種構(gòu)型的石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)的電子輸運(yùn)特性。在考慮其動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)輸運(yùn)性質(zhì)與異質(zhì)結(jié)界面結(jié)構(gòu)及所形成的特征環(huán)型結(jié)構(gòu)的關(guān)系，觀察到了與結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)無關(guān)的明顯的電學(xué)整流效應(yīng)及因環(huán)型結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的自旋過濾效應(yīng)，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。
　　我們研究了側(cè)連石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)。首先把兩條半無限長齒型石墨烯納米帶對(duì)稱地連接在碳納米管側(cè)

3、壁上，構(gòu)建出側(cè)連石墨烯納米帶-碳納米管-石墨烯納米帶異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(GNR-CNT-GNR)。然后采用從頭算分子動(dòng)力學(xué)方法驗(yàn)證了其室溫?zé)岱€(wěn)定性。接著采用非平衡態(tài)格林函數(shù)結(jié)合自旋極化密度泛函理論研究了它的電子輸運(yùn)性質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種側(cè)連異質(zhì)結(jié)具有良好的共振效應(yīng)和自旋選擇輸運(yùn)的特性。最后，通過研究其自旋電荷密度分布，發(fā)現(xiàn)碳納米管和石墨烯納米帶連接處的兩條sp3雜化線形成了隔離器，使碳納米管如同一個(gè)電學(xué)共振腔，只有滿足共振條件（能量和波數(shù)）的電子才

4、能通過這個(gè)共振腔;由于石墨烯納米帶的電子自旋特性，在費(fèi)米能附近只有一個(gè)自旋方向的電子可能共振通過這個(gè)異質(zhì)結(jié)，導(dǎo)致了自旋選擇輸運(yùn)特性。該研究成果為實(shí)驗(yàn)上設(shè)計(jì)全碳分子器件以實(shí)現(xiàn)自旋注入和自旋過濾等功能提供了理論依據(jù)。
　　我們研究了端連石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)。實(shí)驗(yàn)上已發(fā)現(xiàn)通過部分切割碳納米管可以得到這個(gè)端連異質(zhì)結(jié)，我們研究切割在接觸區(qū)留下的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)對(duì)這種異質(zhì)結(jié)電子輸運(yùn)特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種異質(zhì)結(jié)具有半導(dǎo)體特性，并且具備良好的電流整

5、流效應(yīng)。更重要的是，整流行為特性曲線具有良好的穩(wěn)定性，對(duì)接觸區(qū)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)不敏感，并且切割越平滑，整流性能越好。此外，我們還發(fā)現(xiàn)具有理想接觸結(jié)構(gòu)的這種異質(zhì)結(jié)呈現(xiàn)金屬特性，且其整流效應(yīng)比具有實(shí)際接觸結(jié)構(gòu)的體系要差很多。這些研究成果表明利用端連石墨烯/碳納米管異質(zhì)結(jié)可實(shí)現(xiàn)高效分子整流器件的制備和設(shè)計(jì)。
　　我們?cè)诨谇耙徽碌难芯拷Y(jié)果上，設(shè)計(jì)了碳納米管兩端都連接石墨烯納米帶的端連GNR-CNT-GNR異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)連接區(qū)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

6、會(huì)明顯地影響這種異質(zhì)結(jié)的電子輸運(yùn)特性。我們發(fā)現(xiàn)對(duì)接越尖銳則應(yīng)力越大，兩套電子結(jié)構(gòu)(GNR與CNT)越能耦合在一起，導(dǎo)致體系呈現(xiàn)金屬性，在費(fèi)米能附近具有連續(xù)的電子透射譜，這不利于自旋輸運(yùn)和整流效應(yīng)。而具有平滑連接的這種異質(zhì)結(jié)卻因兩套電子結(jié)構(gòu)不能很好地耦合而呈半導(dǎo)體性，具有明顯的自旋輸運(yùn)特性。該研究成果有助于設(shè)計(jì)基于石墨烯納米帶和碳納米管的一維全碳自旋器件。
　　我們進(jìn)一步研究了兩個(gè)接觸區(qū)的微結(jié)構(gòu)對(duì)端連GNR-CNT-GNR異質(zhì)結(jié)電子

7、輸運(yùn)特性的影響。我們研究了對(duì)稱結(jié)構(gòu)和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個(gè)接觸區(qū)均為對(duì)稱理想接觸時(shí)，GNR-CNT-GNR復(fù)合異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)為金屬性。當(dāng)兩個(gè)接觸區(qū)均為對(duì)稱的實(shí)際接觸時(shí)，存在較強(qiáng)的共振輸運(yùn)，在不同的勢(shì)壘高度下，GNR-CNT-GNR復(fù)合異質(zhì)結(jié)可表現(xiàn)為金屬性或半導(dǎo)體性。而當(dāng)兩個(gè)接觸非對(duì)稱時(shí)，GNR-CNT-GNR復(fù)合異質(zhì)結(jié)均表現(xiàn)為半導(dǎo)體性。由于實(shí)驗(yàn)室制得GNR-CNT-GNR復(fù)合異質(zhì)結(jié)大多為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此實(shí)驗(yàn)室制得的GNR-CNT-GNR復(fù)合

8、異質(zhì)結(jié)大多表現(xiàn)為半導(dǎo)體性。也可以得到這樣的結(jié)論，在鋸齒型石墨烯納米帶(ZGNR)中插入一段有限長度的扶手椅型碳納米管時(shí)，會(huì)將ZGNR的金屬性轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體性。這些結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)基于石墨烯納米帶和碳納米管的一維分子器件有很好的應(yīng)用價(jià)值。
　　我們研究了在CNT-GNR復(fù)合異質(zhì)結(jié)的不同位置摻雜氮(N)原子對(duì)其電子輸運(yùn)特性和整流特性的影響。我們考慮了摻雜N原子的位置分別在碳納米管段，石墨烯納米帶段和整個(gè)器件三種情況。沿一維CNT-GNR復(fù)合異

9、質(zhì)結(jié)的縱向摻雜一排N原子，當(dāng)N原子的相互距離為鋸齒型石墨烯納米帶的三個(gè)原胞距離時(shí)，不能改變CNT-GNR復(fù)合異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體屬性，但是明顯減小了其能隙寬度。在CNT段摻雜N原子會(huì)加強(qiáng)導(dǎo)帶底電子的輸運(yùn)能力。當(dāng)在GNR段摻N原子時(shí)，會(huì)加強(qiáng)價(jià)帶頂空穴的輸運(yùn)能力。在CNT和GNR都摻雜N原子，則同時(shí)加強(qiáng)了導(dǎo)帶底電子和價(jià)帶頂空穴的輸運(yùn)能力。分別在CNT和GNR段摻雜N原子不能改變CNT-GNR復(fù)合異質(zhì)結(jié)的整流特性，但在整個(gè)器件連續(xù)摻雜N原子的CNT