碳基納米材料及異質(zhì)結(jié)電子輸運性質(zhì)研究.pdf

1、隨著當(dāng)今電子科技的發(fā)展,要求對未來電學(xué)器件的尺寸越來越小,當(dāng)其接近原子或分子尺度時,具有納米量級的電學(xué)器件便出現(xiàn)了。1985年,英國科學(xué)家 Kroto與美國科學(xué)家 Smalley發(fā)現(xiàn)了石墨與金剛石以外的第三種形式——C60,一種由12個五邊形和20個六邊形的二十面體空心球結(jié)構(gòu),于是揭開了關(guān)于碳基納米材料研究的序幕。在之后的幾十年中,不同結(jié)構(gòu)的碳基納米材料每一次的發(fā)現(xiàn),都引起了納米科學(xué)界的廣泛關(guān)注,關(guān)于碳納米管、石墨烯、石墨納米帶以及最近

2、出現(xiàn)的石墨炔的實驗與理論方面的研究,均為以上納米材料在納米器件的設(shè)計與應(yīng)用方面提供了支持。經(jīng)過研究,發(fā)現(xiàn)多種碳基納米材料不但具備極強的力學(xué)性能,同時具有極為優(yōu)異與獨特的電學(xué)性質(zhì),其由于不同的手性與結(jié)構(gòu)引起的電子輸運性能的不同更加成為人們關(guān)注的焦點。也正由于此種特性,令碳基納米材料應(yīng)用于電學(xué)器件設(shè)計時,具備可以擁有極其新奇的電學(xué)性能的可能。然而,當(dāng)其應(yīng)用在納米電子器件設(shè)計時,難以避免地會遇到與傳統(tǒng)的金屬晶體或者納米材料相接觸的情況。于是,

3、關(guān)于納米材料所形成異質(zhì)結(jié)的相關(guān)問題則成為研究的重點與難點所在。
　　本文就是針對碳基納米材料與其構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)對其本身電學(xué)性質(zhì)的影響,給予了系統(tǒng)性的研究。應(yīng)用第一性原理結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法,對各種納米材料與異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)進行了原子弛豫計算與電子輸運性質(zhì)計算,從而得到了關(guān)于異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、材料、尺度等因素對其電學(xué)性質(zhì)與電子結(jié)構(gòu)的影響,并對其影響機理進行了初步的分析與解釋。具體內(nèi)容如下:
　　首先,對于碳基納米材料的基元,包括碳納米管

4、、石墨烯、石墨納米帶等材料的模型構(gòu)造進行了第一性原理計算,對其不同手性或方向上的納米材料進行非平衡格林函數(shù)方面的計算。發(fā)現(xiàn)在不同手性或不同電子輸運方向上，納米材料分別顯示出金屬與半導(dǎo)體等電學(xué)性質(zhì)。
　　接下來,我們計算了關(guān)于金屬-碳納米管異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)與電學(xué)性質(zhì)。我們分析了不同的幾何結(jié)構(gòu)、碳納米管手性與管徑對其電子輸運性質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)由于幾何結(jié)構(gòu)的不同會構(gòu)成不同的異質(zhì)結(jié)原子弛豫結(jié)果。然而,其電子輸運性質(zhì)卻是相似的,異質(zhì)結(jié)電學(xué)性質(zhì)的改

5、變主要決定于金屬接觸對碳納米管電子結(jié)構(gòu)的改變,會出現(xiàn)令金屬碳納米管導(dǎo)電率降低,而使半導(dǎo)體碳納米管呈現(xiàn)金屬特性等獨特的電學(xué)性質(zhì)。
　　之后,我們考慮構(gòu)造了由不同手性和寬度連接起來的石墨納米帶異質(zhì)結(jié)材料,對其接觸界面出現(xiàn)的拓撲缺陷結(jié)構(gòu)進行第一性原理計算。著重分析其缺陷結(jié)構(gòu)與石墨納米帶寬度對異質(zhì)結(jié)電學(xué)性質(zhì)的影響。我們發(fā)現(xiàn)由于異質(zhì)結(jié)的非對稱結(jié)構(gòu),使得其伏安特性曲線也呈現(xiàn)出明顯的非對稱性,并且發(fā)現(xiàn)其具備非常優(yōu)異的二極管整流特性,且其性質(zhì)與拓

6、撲缺陷結(jié)構(gòu)關(guān)系緊密。石墨納米帶的寬度,主要決定了構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的電導(dǎo)率的強弱。在分析了各種不同結(jié)構(gòu)的石墨納米帶異質(zhì)結(jié),我們認為具備5-7-5拓撲缺陷結(jié)構(gòu)的A9-Z4石墨納米帶具備最為優(yōu)異的整流特性以及電導(dǎo)率強度。
　　在基于金屬-碳納米管研究的基礎(chǔ)上，我們構(gòu)造了金屬-石墨納米帶異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。我們運用與之前相同的方法研究異質(zhì)結(jié)的電子輸運性質(zhì),并討論了其電學(xué)性質(zhì)的影響機理。我們發(fā)現(xiàn)不同金屬對石墨納米帶的電子輸運性質(zhì)有著不同的影響,其趨向于提

7、高金屬石墨納米帶的電導(dǎo)率,而使半導(dǎo)體石墨納米帶中的電流抑制區(qū)域消失。這均是由于金屬與石墨納米帶接觸時,由于金屬外電子軌道與納米帶中碳原子π軌道相互疊加,從而改變了與之相近的碳原子電子結(jié)構(gòu),而隨著距離金屬界面的碳原子距離的增加,對其電子結(jié)構(gòu)的改變卻逐漸減弱,并更加接近原始的石墨納米帶電子結(jié)構(gòu)。
　　最后,我們研究了最近發(fā)現(xiàn)的碳基納米材料石墨炔結(jié)構(gòu)與其電學(xué)性質(zhì)。運用第一性原理方法構(gòu)造了不同結(jié)構(gòu)的四種石墨炔構(gòu)型,分析其電子輸運性質(zhì)的不同

8、以及石墨炔結(jié)構(gòu)中碳鏈的長短對其電學(xué)性質(zhì)的影響。發(fā)現(xiàn)沿不同方向的石墨炔結(jié)構(gòu)具備不同的電子輸運性質(zhì),這與石墨烯結(jié)構(gòu)相似,然而其性質(zhì)與碳原子鏈的長短有決定性的關(guān)系。對于石墨炔電子結(jié)構(gòu)的分析,發(fā)現(xiàn)不僅在苯環(huán)中,在碳原子鏈中同樣存在著π軌道結(jié)構(gòu),這就解釋了其與石墨烯相似的電學(xué)性質(zhì),而碳原子鏈的電子輸運能力要明顯弱于π鍵的電子輸運,因此使得石墨炔的電導(dǎo)率要弱于石墨烯,并隨著碳鏈長度的增加,石墨炔電導(dǎo)率逐漸減弱。同時,我們發(fā)現(xiàn)石墨炔族中的電學(xué)性質(zhì)呈規(guī)