異質(zhì)摻雜對碳納米管電子特性和輸運性能的影響.pdf

1、當(dāng)今科技發(fā)展的顯著特征之一是電子器件微型化，這使得納米電子學(xué)成為一門由凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)以及材料學(xué)等學(xué)科相互交叉的學(xué)科。碳納米管不僅可以作為研究低維量子系統(tǒng)中許多奇特的量子現(xiàn)象的一個理想對象，同時也在量子化學(xué)、材料學(xué)方面具有十分廣泛的應(yīng)用前景，特別是在量子導(dǎo)線、分子器件等方面潛力巨大。隨著計算方法的發(fā)展以及計算能力的提高，基于第一性原理的密度泛函理論方法能夠在目前實驗技術(shù)或條件難以實現(xiàn)的原子層面的結(jié)構(gòu)性能預(yù)測等方面得到廣泛應(yīng)用，已成為

2、納米電子學(xué)理論研究的重要手段。 本文利用基于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，對單壁碳納米管中存在的取代摻雜、拓撲缺陷等異質(zhì)摻雜體系進行了系統(tǒng)的研究，獲得了一些有意義的結(jié)論。這對基于單壁碳管的電子器件的實際制備和開發(fā)具有重要意義。 對不同的摻雜濃度和摻雜分布位型進行的模擬表明，氮摻雜顯著改變了半導(dǎo)體型碳管的電子結(jié)構(gòu)，例如碳管(8，0)從半導(dǎo)體型轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)金屬型。其電流一電壓曲線模擬結(jié)果也同時證明了這一點。隨

3、著電壓的增大，氮摻雜碳管的電流呈現(xiàn)非線性變化。隨著氮原子濃度增大，體系的電子輸運有明顯的提高。氮雜質(zhì)濃度不變的情況下，最近鄰雜質(zhì)原子在距離3個碳原子以上時，對摻雜管小偏壓下的電子輸運性能尤為有利。 對于單壁碳管中Stone-wales缺陷和氮雜質(zhì)原子共存的復(fù)合情況，本文也進行了系統(tǒng)的模擬。對于半導(dǎo)體型(8，0)碳管，這種復(fù)合缺陷總體上對輸運起到增強的作用。缺陷中摻雜位置的不同對碳管的電子輸運影響不同。對于金屬管(9，0)，復(fù)合缺

4、陷使得其電流普遍下降。不同摻雜位置的碳管體系，其電流相對大小關(guān)系隨偏壓方向變化而改變。此外，氮原子和空位形成的復(fù)合缺陷對碳管的輸運也有顯著的影響，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)也對半導(dǎo)體型碳管輸運性能有所提高，而對金屬型碳管的輸運表現(xiàn)出削弱的作用。 類似于氮原子，硼原子也易于在碳管中發(fā)生取代摻雜，硼摻雜對碳管造成的的網(wǎng)格畸變不大，但隨著硼原子濃度的增多，碳管的圓形截面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓。半導(dǎo)體(8，0)在硼摻雜后，隨偏壓和能量變化的體系總透射值由原來

5、的帶狀結(jié)構(gòu)變成離散的島狀。在小偏壓區(qū)域出現(xiàn)了規(guī)則的菱形島狀透射平臺。電流一電壓曲線結(jié)果表明，硼摻雜后使得(8，0)管由原來的半導(dǎo)體型轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)金屬型。隨著摻雜分布的變化，體系的電流大小也明顯不同。小偏壓情況下雜質(zhì)原子分散度越高，對應(yīng)體系的輸運性能就越好，而大偏壓情況下輸運對雜質(zhì)分布并不敏感。對于金屬型管(6，0)管，硼摻雜使得體系電流下降。不同摻雜分布的金屬型碳管的電流在大偏壓時有明顯的趨同傾向。而小偏壓時，當(dāng)超原胞內(nèi)的雜質(zhì)相隔2～3個碳

6、原子時電流最大，距離為一個原子的情況電流最小。在門電壓的作用下理想(6，0)管透射系數(shù)的量子化特征消失，呈現(xiàn)為光滑曲線。在C47B1型取代摻雜中，大多數(shù)能量范圍內(nèi)的透射系數(shù)隨著門電壓的升高而下降。在兩端加上偏壓時，門電壓對硼摻雜(6，0)管的影響有所削弱。隨著門電壓的增強，電流的減小幅度逐漸增大。對濃度為C46B2的三種異構(gòu)體的電流在小門電壓情況下隨門電壓的增大而減小。但是隨著門電壓的繼續(xù)增長，不同的雜質(zhì)分布使得門電壓的調(diào)節(jié)效果各不相同