碳納米管、碳化硅納米管的電子結(jié)構(gòu)及其輸運特性的研究.pdf

1、本文首先對碳納米管和碳化硅納米管的研究進展進行了較全面的論述，包括其制備、純化以及應用等，其中較深入的論述碳納米管的布里淵區(qū)及其電學性質(zhì)相關(guān)的應用。接下來對在納米材料電子結(jié)構(gòu)以及納米器件輸運特性研究中取得較滿意結(jié)果的密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)法進行了詳細的描述。采用該方法對碳納米管和碳化硅納米管的電子結(jié)構(gòu)和輸運特性進行了較深入的研究。
　　 采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，對本征和摻雜(8，0)碳納米管的結(jié)構(gòu)和電子結(jié)

2、構(gòu)進行了計算。本征(8，0)碳納米管的計算結(jié)果表明它是典型的直接帶隙半導體，其能帶間隙為0.46 eV。摻雜碳納米管擁有與本征納米管不同的性質(zhì)，也有更廣泛的應用前景，為此分別計算了摻氮和摻硼碳納米管的電子結(jié)構(gòu)。摻雜的氮原子與其相鄰的碳原子形成的氮碳鍵的鍵長與本征納米管對應的碳碳鍵相比有所增加，這種趨勢會隨著摻雜濃度的增大而變的更加明顯，這與實驗制備的摻氮碳納米管呈現(xiàn)竹節(jié)狀是一致的。摻雜的氮原子與碳原子相比多出了一個電子，從分子的最高占據(jù)

3、軌道可以看出，多出的電子主要分布在氮原子及其相鄰的碳原子上。這增加了電子在不同原子間轉(zhuǎn)移的可能性，使得碳納米管能帶間隙有所減小。摻硼碳納米管結(jié)構(gòu)的變化與摻氮呈現(xiàn)了相同的趨勢，摻雜原子所在的碳環(huán)的半徑有所增大。摻雜的硼原子少出了一個電子，在摻雜原子附近形成了明顯的空穴，碳納米管的能帶間隙也有所增大。
　　 采用結(jié)合密度泛函理論的非平衡格林函數(shù)法，對孤立(8，0)碳納米管和耦合于金電極的(8，0)碳納米管的輸運特性進行了計算。從孤立

4、碳納米管的平衡態(tài)(未施加偏壓)透射譜可以看出它是半導體型的，這與前面的計算是一致的。其透射譜呈現(xiàn)了明顯的臺階狀；其伏安特性可以看出當偏壓小于1.2 V時幾乎沒有電流流過納米管，而大于該偏壓時是接近指數(shù)關(guān)系的。在碳納米管應用中，通常要與金屬電極相連接，為此計算了耦合于金電極的(8，0)碳納米管的輸運特性，在計算的過程中考慮了長度對輸運特性的影響。其結(jié)果表明隨著長度的增加碳納米管由金屬型轉(zhuǎn)化為半導體型。在金電極與碳納米管形成接觸時，由于功函

5、數(shù)的不同，電子會在碳納米管和電極之間轉(zhuǎn)移，其結(jié)果是形成了較明顯的帶隙態(tài)。在長度較短時，帶隙態(tài)在輸運特性中起了重要的作用，但是其影響會隨著長度的增長而削弱。這解釋了為什么當前實驗未觀測到帶隙態(tài)的原因。
　　 采用與研究碳納米管電子結(jié)構(gòu)相同的方法，計算了本征和摻雜(8，0)碳化硅納米管的電子結(jié)構(gòu)。本征碳化硅納米管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果顯示碳環(huán)的半徑要略大于硅環(huán)的半徑，其電子結(jié)構(gòu)顯示，(8，0)碳化硅納米管的能帶間隙為0.94 eV要大于(

6、8，0)碳納米管的，這是由于碳化硅納米管中碳硅鍵為含有離子鍵成分共價鍵的結(jié)果。氮原子與硼原子是碳化硅體材料的常用摻雜原子，在計算摻雜碳化硅納米管電子結(jié)構(gòu)的過程中仍然選擇它們?yōu)殡s質(zhì)。在替位摻雜的過程中，參考體碳化硅材料摻雜的結(jié)果，氮原子取代碳原子所在的晶格。摻氮碳化硅納米管結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果顯示一氮摻雜碳化硅納米管中氮原子與相鄰的硅原子形成氮硅鍵的鍵長有較明顯的減小，而二氮摻雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果表明氮原子傾向占據(jù)相鄰碳環(huán)中位置最接近的碳晶格所在的

7、位置并且在納米管的表面形成明顯的突起。氮原子與碳原子相比多出的電子主要分布在相鄰的硅原子上。摻氮碳化硅納米管的能帶間隙會減小。摻硼碳化硅納米管的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果顯示其所在硅環(huán)的半徑會減小，從摻硼碳化硅納米管的最高占據(jù)軌道可以看出，在硼原子附近電子出現(xiàn)的概率明顯降低，形成明顯的空穴態(tài)，限制了電子在不同原子間的轉(zhuǎn)移，導致了能帶間隙的增大。
　　 本文還計算了孤立和耦合于金電極的(7，0)碳化硅納米管的輸運特性。孤立(7，0)碳化硅