異質(zhì)摻雜對(duì)碳納米管電子特性和輸運(yùn)性能的影響.pdf

1、當(dāng)今科技發(fā)展的顯著特征之一是電子器件微型化，這使得納米電子學(xué)成為一門(mén)由凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)以及材料學(xué)等學(xué)科相互交叉的學(xué)科。碳納米管不僅可以作為研究低維量子系統(tǒng)中許多奇特的量子現(xiàn)象的一個(gè)理想對(duì)象，同時(shí)也在量子化學(xué)、材料學(xué)方面具有十分廣泛的應(yīng)用前景，特別是在量子導(dǎo)線(xiàn)、分子器件等方面潛力巨大。隨著計(jì)算方法的發(fā)展以及計(jì)算能力的提高，基于第一性原理的密度泛函理論方法能夠在目前實(shí)驗(yàn)技術(shù)或條件難以實(shí)現(xiàn)的原子層面的結(jié)構(gòu)性能預(yù)測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用，已成為

2、納米電子學(xué)理論研究的重要手段。 本文利用基于第一性原理的密度泛函理論、結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法，對(duì)單壁碳納米管中存在的取代摻雜、拓?fù)淙毕莸犬愘|(zhì)摻雜體系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，獲得了一些有意義的結(jié)論。這對(duì)基于單壁碳管的電子器件的實(shí)際制備和開(kāi)發(fā)具有重要意義。 對(duì)不同的摻雜濃度和摻雜分布位型進(jìn)行的模擬表明，氮摻雜顯著改變了半導(dǎo)體型碳管的電子結(jié)構(gòu)，例如碳管(8，0)從半導(dǎo)體型轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)金屬型。其電流一電壓曲線(xiàn)模擬結(jié)果也同時(shí)證明了這一點(diǎn)。隨

3、著電壓的增大，氮摻雜碳管的電流呈現(xiàn)非線(xiàn)性變化。隨著氮原子濃度增大，體系的電子輸運(yùn)有明顯的提高。氮雜質(zhì)濃度不變的情況下，最近鄰雜質(zhì)原子在距離3個(gè)碳原子以上時(shí)，對(duì)摻雜管小偏壓下的電子輸運(yùn)性能尤為有利。 對(duì)于單壁碳管中Stone-wales缺陷和氮雜質(zhì)原子共存的復(fù)合情況，本文也進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬。對(duì)于半導(dǎo)體型(8，0)碳管，這種復(fù)合缺陷總體上對(duì)輸運(yùn)起到增強(qiáng)的作用。缺陷中摻雜位置的不同對(duì)碳管的電子輸運(yùn)影響不同。對(duì)于金屬管(9，0)，復(fù)合缺

4、陷使得其電流普遍下降。不同摻雜位置的碳管體系，其電流相對(duì)大小關(guān)系隨偏壓方向變化而改變。此外，氮原子和空位形成的復(fù)合缺陷對(duì)碳管的輸運(yùn)也有顯著的影響，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)也對(duì)半導(dǎo)體型碳管輸運(yùn)性能有所提高，而對(duì)金屬型碳管的輸運(yùn)表現(xiàn)出削弱的作用。 類(lèi)似于氮原子，硼原子也易于在碳管中發(fā)生取代摻雜，硼摻雜對(duì)碳管造成的的網(wǎng)格畸變不大，但隨著硼原子濃度的增多，碳管的圓形截面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓。半導(dǎo)體(8，0)在硼摻雜后，隨偏壓和能量變化的體系總透射值由原來(lái)

5、的帶狀結(jié)構(gòu)變成離散的島狀。在小偏壓區(qū)域出現(xiàn)了規(guī)則的菱形島狀透射平臺(tái)。電流一電壓曲線(xiàn)結(jié)果表明，硼摻雜后使得(8，0)管由原來(lái)的半導(dǎo)體型轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)金屬型。隨著摻雜分布的變化，體系的電流大小也明顯不同。小偏壓情況下雜質(zhì)原子分散度越高，對(duì)應(yīng)體系的輸運(yùn)性能就越好，而大偏壓情況下輸運(yùn)對(duì)雜質(zhì)分布并不敏感。對(duì)于金屬型管(6，0)管，硼摻雜使得體系電流下降。不同摻雜分布的金屬型碳管的電流在大偏壓時(shí)有明顯的趨同傾向。而小偏壓時(shí)，當(dāng)超原胞內(nèi)的雜質(zhì)相隔2～3個(gè)碳

6、原子時(shí)電流最大，距離為一個(gè)原子的情況電流最小。在門(mén)電壓的作用下理想(6，0)管透射系數(shù)的量子化特征消失，呈現(xiàn)為光滑曲線(xiàn)。在C47B1型取代摻雜中，大多數(shù)能量范圍內(nèi)的透射系數(shù)隨著門(mén)電壓的升高而下降。在兩端加上偏壓時(shí)，門(mén)電壓對(duì)硼摻雜(6，0)管的影響有所削弱。隨著門(mén)電壓的增強(qiáng)，電流的減小幅度逐漸增大。對(duì)濃度為C46B2的三種異構(gòu)體的電流在小門(mén)電壓情況下隨門(mén)電壓的增大而減小。但是隨著門(mén)電壓的繼續(xù)增長(zhǎng)，不同的雜質(zhì)分布使得門(mén)電壓的調(diào)節(jié)效果各不相同