碳基納米材料和器件的第一原理研究與設計.pdf

1、利用基于密度泛函的第一原理量子計算模擬，我們研究了幾種碳基納米材料的電子性質和輸運特性，并通過對其性質的模擬進行了相應的器件設計，提出了一些構建碳基納米器件的設想。 首先，研究了富勒烯純碳分子器件的電子輸運性質，并演示了該分子結作為納米電子開關的可能性。以單壁碳納米管為電極，由C20分子(鏈)/C70分子和半無限長的碳納米管構建全碳分子結體系。我們發(fā)現改變碳納米管電極和富勒烯分子間的距離、改變富勒烯分子的取向、旋轉一電極都可以使

2、這種體系的朗道電導有幾個數量級的變化，電子透射得到有效調制。由此，我們提出了基于富勒烯分子全碳分子結成為納米電子開關的可能性。同時，我們論證了分子構型選擇、結構弛豫和摻雜在此類器件設計中發(fā)揮重要的作用。 第二，較系統(tǒng)地研究了單層石墨納米帶的基本電子學特性和輸運性質，并重點研究了石墨納米帶缺陷效應。主要研究了帶內和邊緣的單空位、帶內雙空位拓撲缺陷效應以及雙空位缺陷處的氣體吸附性質。研究發(fā)現，各種缺陷濃度、位置和取向對其能帶結構和輸

3、運性質有影響，其原因在于缺陷的存在改變了石墨納米帶幾何結構、破壞了對稱性，也歸哲于納米帶的量子尺寸效應。進一步研究發(fā)現，從能量上看氣體分子在缺陷處吸附更趨穩(wěn)定，與實驗結果相吻合。 第三，深入討論了具有Stone-Wales(SW)缺陷的半導體性石墨納米帶的羧基(COOH)化學功能化，提出了功能化的缺陷石墨納米帶成為未來化學傳感器的可能性。我們研究發(fā)現SW缺陷和羧基(COOH)的相互作用會導致SW-GNRs的幾何結構和電子結構的改

4、變。通過增強軸向SW缺陷-羧基(COOH)對濃度，系統(tǒng)電導率會顯著增加，最終會由半導體行為轉變?yōu)閜-型金屬行為。 最后，設計了兩種基于T型結結構的石墨納米帶(T-GNRs)和基于十字型結結構的石墨納米帶(十-GNRs)，并研究了這些結構的本征電子傳輸性質和氮(或硼)摻雜效應。研究發(fā)現，各種結的電子和傳輸特性十分依賴其自身的手性、長度，分支的高度、寬度等幾何特性。這些固有的特性使得此類準二維的連接結構有望成為納電子器件中能調控電導