CNT與BNNT摻雜材料電子輸運(yùn)性質(zhì)理論研究.pdf

1、碳納米管(CNT)和硼氮納米管(BNNT)由于其在電子、光學(xué)、熱動力學(xué)和機(jī)械性能等領(lǐng)域的杰出表現(xiàn)已經(jīng)吸引了越來越多的關(guān)注。眾所周知，CNT具有金屬導(dǎo)電性質(zhì)或半導(dǎo)體性質(zhì)，而BNNT具有典型絕緣性質(zhì)。大量研究表明摻雜不但可以保留CNT和BNNT的固有特性而且可以引入更奇特的附加性質(zhì)，已成為新材料研發(fā)設(shè)計(jì)的主要方向之一。截至目前，對該類新納米材料的機(jī)械性能、熱、光學(xué)等方面特性研究較多，而對其電子結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)性質(zhì)的研究并不多見。
　　本文采

2、用密度泛函理論(DFT)結(jié)合非平衡格林函數(shù)(NEGF)方法，從理論上研究了基于CNT和BNNT兩類不同摻雜體系導(dǎo)電材料的電子結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)性質(zhì)，討論了不同摻雜方式以及摻雜濃度對材料的導(dǎo)電性影響。共分為兩部分研究工作:
　　首先研究了CNT(10，10)和BNNT(10，10)內(nèi)嵌(VBz)n后形成復(fù)合納米結(jié)構(gòu)(VBz)n/CNT和(VBz)n/BNNT的電子輸運(yùn)性質(zhì)。研究結(jié)果表明:(VBz)n/CNT呈現(xiàn)金屬性而(VBz)n/BNNT

3、呈現(xiàn)半導(dǎo)體性質(zhì);(VBz)n/CNT和(VBz)n/BNNT均具備自旋極化傳輸特性:自旋向下比自旋向上呈現(xiàn)出更強(qiáng)的導(dǎo)電性。對于(VBz)n/CNT而言，CNT管壁為良好的電子傳輸通路，而(VBz)n內(nèi)嵌納米線只在自旋向下時(shí)顯示出有效傳輸作用。對于(VBz)n/BNNT來說，BNNT管壁呈現(xiàn)絕緣特性，因此，(VBz)n/BNNT在自旋向下時(shí)的傳輸特性主要來自于內(nèi)嵌(VBz)n的貢獻(xiàn)。(VBz)n/CNT在-1.0～1.0V偏壓范圍內(nèi)自旋極

4、化率(SFE)低于50％;而(VBz)n/BNNT的自旋極化率高于90％，說明(VBz)n/BNNT具有更好的自旋極化電子傳輸效應(yīng)。而且，(VBz)n/CNT和(VBz)n/BNNT都具有磁性。
　　其次研究了CNT(4,4)及BNNT(4,4)外壁纏繞聚硅烷后形成復(fù)合納米結(jié)構(gòu)PSi/CNT和PSi/BNNT的電子輸運(yùn)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)CNT纏繞未摻雜聚硅烷和B、P摻雜聚硅烷后的復(fù)合體系的能帶結(jié)構(gòu)在費(fèi)米能級處無明顯改變，復(fù)合體系的導(dǎo)電

5、性仍主要源自CNTπ軌道的貢獻(xiàn)。該結(jié)論亦在加入以金(Au(111)-(6×7))作雙電極的雙探針體系中得到驗(yàn)證。相反，當(dāng)纏繞的聚硅烷中摻雜P原子后，在費(fèi)米能級下方引入了P的雜質(zhì)能帶，但是在雙探針體系中P原子的這種貢獻(xiàn)被電極遏制，結(jié)果導(dǎo)致體系的導(dǎo)電性依然來源于CNT的π軌道貢獻(xiàn)。不同于PSi/CNT體系，PSi/BNNT的導(dǎo)電性顯著區(qū)別于單純的BNNT，BNNT是典型絕緣體，但PSi/BNNT復(fù)合材料的導(dǎo)電性顯著增強(qiáng)。在未摻雜的PSi/B

6、NNT體系中，價(jià)帶來自于BNNT的π軌道，導(dǎo)帶來自于聚硅烷的σ軌道。當(dāng)B摻入聚硅烷后得到B-PSi/BNNT復(fù)合體系，B原子在費(fèi)米能級上方形成電子受體帶，當(dāng)P摻入聚硅烷后得到P-PSi/BNNT復(fù)合體系，P原子在費(fèi)米能級下形成電子供體帶;在B-PSi/BNNT以金為電極的雙探針體系中，B可以提供電子傳輸通路并產(chǎn)生多重負(fù)微分電阻(NDR)效應(yīng)，在P-PSi/BNNT雙探針體系中，由于P的傳輸性被金電極所遏制，從而表現(xiàn)出類似于PSi/BNN