基于石墨烯和硅烯納米帶電荷與自旋輸運(yùn)理論研究.pdf

1、隨著電子器件小型化的不斷發(fā)展，從納米尺度乃至分子尺度上研究器件電學(xué)性質(zhì)的分子電子學(xué)越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，包括納米加工技術(shù)，自組裝技術(shù)，掃描隧道顯微鏡技術(shù)以及劈裂結(jié)等方法的發(fā)展，人們得以在小分子或分子基團(tuán)甚至是單個(gè)分子的水平上制作分子器件，并進(jìn)一步研究它們的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)。到目前為止，在納米尺度上尋找合適的功能分子或納米材料來(lái)實(shí)現(xiàn)宏觀電子器件所具備的功能，是分子電子學(xué)的主要議題。近些年，人們將目光轉(zhuǎn)向了低維納米材

2、料的研究。特別是石墨烯，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)立即開(kāi)啟了人們研究低維納米材料的熱潮。與石墨烯同屬于碳族材料的硅烯，被認(rèn)為能夠更好地與現(xiàn)代硅基技術(shù)兼容，也同樣備受矚目。要將石墨烯和硅烯應(yīng)用到電路中，通常會(huì)將其切割成納米帶。目前，人們已經(jīng)開(kāi)展了大量豐富的工作來(lái)研究石墨烯和硅烯納米帶的輸運(yùn)性質(zhì)，但仍然存在一些問(wèn)題值得我們?nèi)ヌ接?。例如，鋸齒形石墨烯納米帶（ZGNRs）基態(tài)下兩側(cè)邊緣碳原子反鐵磁耦合，總磁矩是零，限制了其在分子自旋電子學(xué)方面的應(yīng)用，需要采取適當(dāng)

3、措施調(diào)控邊緣碳原子的磁化方向;裸露的硅烯納米帶不穩(wěn)定，因此在硅烯納米帶制備過(guò)程中需要將邊緣硅原子進(jìn)行修飾，采用不同的化學(xué)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生不同的邊緣修飾情況，而目前對(duì)于不同的邊緣修飾情況的硅烯納米帶片段的輸運(yùn)性質(zhì)尚不明確等等。另外，基于石墨烯和硅烯納米帶的多功能分子器件的設(shè)計(jì)仍然是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
　　本論文利用密度泛函理論與非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的方法研究了鋸齒形石墨烯和硅烯納米帶的電荷和自旋輸運(yùn)性質(zhì)，設(shè)計(jì)了基于石墨烯納米帶的多功能分

4、子器件，并采用自摻雜的方法對(duì)ZGNRs的邊緣磁性進(jìn)行了調(diào)控，還研究了不同官能團(tuán)修飾的鋸齒形硅烯納米帶(ZSiNRs)的電荷輸運(yùn)性質(zhì)。具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.低并苯分子連接石墨烯納米帶電極自旋輸運(yùn)性質(zhì)的研究
　　我們?cè)诶碚撋显O(shè)計(jì)并研究了一種全碳分子結(jié)，它是由一系列低并苯分子嵌在ZGNRs電極組成的。我們研究的低并苯分子包括并三苯、并四苯、并五苯和并六苯。通過(guò)施加外部電場(chǎng)或磁場(chǎng)，ZGNRs電極能夠由反鐵磁態(tài)調(diào)控為鐵磁態(tài)

5、。我們模擬了左右ZGNRs電極在外部電磁場(chǎng)作用下被設(shè)置成自旋平行和自旋反平行兩種組態(tài)，并利用第一性原理的方法，計(jì)算了該器件在兩種組態(tài)下的自旋輸運(yùn)性質(zhì)，深入分析了并苯分子的長(zhǎng)度對(duì)器件自旋輸運(yùn)性質(zhì)的影響。理論計(jì)算結(jié)果顯示，自旋極化的ZGNRs電極能夠誘導(dǎo)低并苯分子在費(fèi)米能級(jí)附近產(chǎn)生自旋極化的電子態(tài)，并且隨著苯環(huán)數(shù)量的增加，這種作用不斷增強(qiáng)，能夠不斷地促進(jìn)電子輸運(yùn)。此外，在該分子器件中，我們觀察到了自旋過(guò)濾效應(yīng)和雙向自旋整流效應(yīng)，并且在很寬的

6、偏壓范圍內(nèi)都可以觀察到上述現(xiàn)象，其中自旋極化率可以達(dá)到接近100％，整流比超過(guò)103。在低偏壓-0.1V到0.1V范圍內(nèi)，器件還表現(xiàn)出了巨磁電阻效應(yīng)，磁阻比達(dá)到了8000％。另外，我們還在器件中發(fā)現(xiàn)了負(fù)微分電阻效應(yīng)。我們對(duì)這些有趣現(xiàn)象的物理機(jī)制進(jìn)行了解釋。其中，巨磁電阻效應(yīng)，自旋過(guò)濾和自旋整流效應(yīng)主要是由于左右電極在費(fèi)米能級(jí)附近的能帶波函數(shù)對(duì)稱性不匹配引起的。而負(fù)微分電阻效應(yīng)不僅是由于能帶波函數(shù)對(duì)稱性不匹配，還與中心分子的能級(jí)有關(guān)。我們

7、相信這些發(fā)現(xiàn)為基于石墨烯材料的高性能自旋電子器件的設(shè)計(jì)與合成提供了理論指導(dǎo)。
　　2.邊緣去氫對(duì)線缺陷石墨烯納米帶磁性和自旋輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控
　　由于氫終端的ZGNRs總磁矩為零，并且能帶結(jié)構(gòu)只發(fā)生了輕微的自旋劈裂，限制了其在自旋電子學(xué)方面的應(yīng)用。我們的工作是將擴(kuò)展的線缺陷-558線缺陷和57線缺陷引入到ZGNRs體系中實(shí)現(xiàn)自摻雜，并研究了邊緣去氫效應(yīng)對(duì)線缺陷ZGNRs的磁性和自旋輸運(yùn)性質(zhì)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，邊緣去氫效應(yīng)能夠

8、顯著誘導(dǎo)或加強(qiáng)558線缺陷ZGNRs的磁性，但對(duì)57線缺陷ZGNRs的磁性沒(méi)有效果。這主要是邊緣未飽和的558線缺陷ZGNRs在費(fèi)米能級(jí)附近產(chǎn)生了一個(gè)自旋極化的σ邊緣態(tài)，這個(gè)邊緣態(tài)的產(chǎn)生加強(qiáng)了費(fèi)米能級(jí)附近能帶的自旋劈裂。并且，比起純凈的ZGNRs，邊緣未飽和的558線缺陷ZGNRs能夠?qū)崿F(xiàn)納米帶兩側(cè)邊緣碳原子反鐵磁耦合到鐵磁耦合的轉(zhuǎn)變。此外，邊緣去氫效應(yīng)能夠有效地提高我們所研究的分子器件的自旋極化效率。理論分析結(jié)果表明費(fèi)米能級(jí)附近σ邊緣

9、態(tài)的存在對(duì)調(diào)控基于石墨烯體系的自旋電子器件的自旋輸運(yùn)性質(zhì)發(fā)揮著重要作用。
　　3.邊緣氫化氧化對(duì)硅烯納米帶電荷輸運(yùn)性質(zhì)的影響
　　由于純凈的硅烯納米帶的邊緣懸掛鍵不穩(wěn)定，通常會(huì)對(duì)其進(jìn)行化學(xué)修飾。在激光刻蝕或者氧化切割硅烯納米帶的過(guò)程中，可能會(huì)引入各種氫化氧化官能團(tuán)（H，H2，O或者OH基團(tuán)）。因此，利用第一性原理的方法，我們研究了邊緣氫化或氧化的ZSiNRs片段連接氫原子終端的ZSiNRs電極的輸運(yùn)性質(zhì)，并系統(tǒng)地檢測(cè)了不同邊

10、緣官能團(tuán)修飾對(duì)其輸運(yùn)性質(zhì)的影響。我們主要研究了兩類體系:一類是邊緣官能團(tuán)H，OH，O和H2位于ZSiNRs的兩側(cè)，一類是邊緣官能團(tuán)OH，O和H2位于ZSiNRs的一側(cè)，另一側(cè)始終用H基團(tuán)飽和。這些對(duì)稱和非對(duì)稱的邊緣官能團(tuán)修飾表現(xiàn)出不同的電流-電壓曲線特性。對(duì)于前者，偏壓下的電流都受到抑制，而后者，電流明顯增強(qiáng)。這主要是由于對(duì)稱邊緣官能團(tuán)修飾的ZSiNRs的結(jié)構(gòu)具有沿中心軸的C2對(duì)稱操作，左右電極的π和π*能帶波函數(shù)的對(duì)稱性不匹配能夠?qū)?/p>

11、運(yùn)起到抑制作用。此外，不同邊緣官能團(tuán)修飾ZSiNRs的電流大小的比較結(jié)果為:H＞OH＞O＞H2。這主要是由于OH基團(tuán)與邊緣Si原子的雜化方式與H基團(tuán)類似，都是類sp2雜化，OH基團(tuán)飽和的ZSiNRs與H基團(tuán)飽和的ZSiNRs具有相似的能帶結(jié)構(gòu);O基團(tuán)飽和的ZSiNRs會(huì)在費(fèi)米能級(jí)附近產(chǎn)生一條能帶提供輸運(yùn)通道;而H2基團(tuán)飽和的ZSiNRs會(huì)在費(fèi)米能級(jí)附近產(chǎn)生帶隙不利于輸運(yùn)。因此，邊緣官基團(tuán)修飾在硅基納米帶器件的電荷輸運(yùn)性質(zhì)方面發(fā)揮著重要的

12、作用，理解它們的作用機(jī)理對(duì)硅基納米帶器件的實(shí)際應(yīng)用具有十分關(guān)鍵的作用。
　　論文包括以下六章內(nèi)容:第一章為緒論部分，主要介紹了分子電子學(xué)的研究背景，分子器件的實(shí)驗(yàn)與理論研究進(jìn)展，分子器件的傳輸特性以及石墨烯和硅烯及其納米帶的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。第二章為理論方法部分，介紹了計(jì)算電子結(jié)構(gòu)的方法-密度泛函理論，以及計(jì)算分子器件輸運(yùn)性質(zhì)的非平衡格林函數(shù)方法。同時(shí)還介紹了應(yīng)用密度泛函理論與非平衡格林函數(shù)方法自洽求解器件輸運(yùn)性質(zhì)的過(guò)程。第三到五章介紹

13、了基于上述理論方法所做的具體工作和計(jì)算結(jié)果:第三章研究了低并苯分子連接石墨烯納米帶電極構(gòu)成器件的自旋輸運(yùn)性質(zhì)，成功地設(shè)計(jì)了具有巨磁電阻效應(yīng)，雙向自旋過(guò)濾和自旋整流效應(yīng)以及負(fù)微分電阻效應(yīng)的多功能分子器件;第四章研究了邊緣去氫對(duì)線缺陷石墨烯納米帶磁性和自旋輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控，成功地實(shí)現(xiàn)了ZGNRs兩側(cè)邊緣碳原子反鐵磁耦合到鐵磁耦合的轉(zhuǎn)變，并提高了器件的自旋極化率;第五章討論了各種邊緣氫化氧化官能團(tuán)對(duì)硅烯納米帶電荷輸運(yùn)性質(zhì)的影響。第六章對(duì)本論文工