缺陷對(duì)單壁碳納米管和石墨烯電子輸運(yùn)特性影響的研究.pdf

1、40多年以來,我們?cè)诠杌娮悠骷矫嫒〉昧司薮蟮某删?并且這種器件已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)化及其他應(yīng)用領(lǐng)域,在很大程度上說電子器件的小型化是其發(fā)展的顯著特征。事實(shí)上,更高度集成、更快、功耗更低的電路都是通過硅基晶體管持續(xù)的小型化得到的。現(xiàn)在,我們面對(duì)的挑戰(zhàn)就在于器件小型化方法將遭遇到科學(xué)和技術(shù)的極限。當(dāng)我們認(rèn)識(shí)到這種方法將到達(dá)極限后,我們迫切地需要做出努力去開發(fā)替代設(shè)備技術(shù)。由于碳基納米材料,特別是一維的碳納米管和二維的石墨

2、烯具有出色的電學(xué)性能,因此,它們被認(rèn)為是制造下一代電子器件的候選材料。隨著高性能計(jì)算集群的發(fā)展和計(jì)算中算法的改進(jìn),使我們有可能應(yīng)用基于第一性原理的數(shù)值模擬去了解原子結(jié)構(gòu)的物理背景并研究器件工程問題。更重要的是計(jì)算模擬已經(jīng)成為研究納米電子學(xué)最重要的一種方法。
　　 本文利用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)單壁碳納米管中的曲率效應(yīng)、分子內(nèi)結(jié)、拓?fù)淙毕?、空位缺陷?duì)電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。此外,我們還

3、討論了氮取代摻雜對(duì)鋸齒型邊緣的金屬石墨烯納米帶電子輸運(yùn)的影響并獲得了一些有意義的結(jié)論。這些討論和結(jié)論對(duì)于碳材料電子器件的實(shí)際制備和開發(fā)具有重要意義。
　　 小直徑碳納米管的模擬結(jié)果清楚地表明曲率效應(yīng)顯著地改變了碳納米管的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)特性。例如,考慮了曲率效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果暗示(2,2)碳納米管具有一定的透射隙,并且電流-電壓的輸運(yùn)特性結(jié)果也證實(shí)了這點(diǎn)。曲率效應(yīng)使得萬π*帶向下移動(dòng)并越過費(fèi)米能級(jí),導(dǎo)致(5,0)碳納米管的能帶轉(zhuǎn)變成金

4、屬型。小直徑碳納米管中負(fù)微分電阻的出現(xiàn)暗示了某些偏壓下電子傳輸通道被抑制。曲率效應(yīng)對(duì)于直徑大于(9,0)的鋸齒型碳納米管和直徑大于(4,4)的扶手椅型碳納米管的電子輸運(yùn)的影響較小。
　　 碳納米管中各式各樣的拓?fù)淙毕菔潜疚难芯康闹攸c(diǎn)。以半導(dǎo)體-半導(dǎo)體(S-S)、金屬-半導(dǎo)體(M-S)和金屬-金屬(M-M)這三種類型的異質(zhì)結(jié)為對(duì)象系統(tǒng)地研究了碳納米管中的異質(zhì)結(jié)拓?fù)淙毕輰?duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響。發(fā)現(xiàn)這三類異質(zhì)結(jié)缺陷結(jié)構(gòu)中都出現(xiàn)了定域態(tài)。偏壓

5、下出現(xiàn)了透射隙的移動(dòng)并在M-S異質(zhì)結(jié)中出現(xiàn)負(fù)微分電阻現(xiàn)象。此外,門壓可以有效地調(diào)制通過S-S型異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中的電流。
　　 原子空位缺陷是一種點(diǎn)結(jié)構(gòu)缺陷并且在碳納米管中廣泛地存在。以金屬型的(12,0)和(7,7)碳納米管為研究對(duì)象,研究了不同數(shù)目的原子空位缺陷和不同位型的空位缺陷對(duì)碳納米管電子結(jié)構(gòu)和電子輸運(yùn)的影響。從轉(zhuǎn)變能的比較來看雙空位缺陷是最穩(wěn)定的缺陷結(jié)構(gòu)。缺陷會(huì)在碳納米管的能帶中引入缺陷態(tài)。單空位缺陷位型通常含有一個(gè)五邊形

6、和一個(gè)懸浮鍵,就足所謂的5-1DB缺陷,這個(gè)缺陷結(jié)構(gòu)對(duì)電子輸運(yùn)影響較小。(12,0)碳納米管中的電子輸運(yùn)并不是隨著缺陷數(shù)目的增加而減弱,因?yàn)?個(gè)空位缺陷比2個(gè)空位缺陷的電子輸運(yùn)更好,這是由于前者缺陷處電子密度顯著大于后者缺陷處電子密度。然而在(7,7)碳納米管中電子輸運(yùn)隨著空位缺陷數(shù)目的增加而單調(diào)減弱。此外,Stone-Wales缺陷對(duì)碳納米管中的電子輸運(yùn)是極為不利的。
　　 本文非常關(guān)注新近發(fā)現(xiàn)的石墨烯材料并模擬了鋸齒形邊緣的