低維碳、硅結構納電子效應及其納功能器件設計.pdf

1、隨著器件小型化的不斷發(fā)展和集成度的不斷提高,傳統(tǒng)的硅基半導體器件已經逼近了其極限尺寸。與此同時,隨著實驗制備工藝和合成技術的發(fā)展,越來越多的納米材料和納米結構不斷涌現出來。其中,以石墨烯、碳納米管為代表的碳納米結構呈現出豐富的結構形式和獨特的電學性質,被普遍認為是下一代納電子器件的基礎材料。令人驚喜的是,與碳同屬一個主族的硅,最近發(fā)現其也可以形成與石墨烯結構相類似的硅烯結構,通過金屬摻雜,還可以形成與碳納米管結構相類似的硅納米管結構。這

2、些新結構的發(fā)現,使得硅基器件迎來了新的發(fā)展機遇,并且硅基結構可以實現與現有設備和技術更好地相容。隨著研究的深入,納米結構蘊含的各種量子效應不斷被發(fā)現,并被用來設計各種納電子器件?；诖?我們采用密度泛函結合非平衡格林函數的方法,研究了幾種典型的碳、硅納米結構及其復合結構的電子輸運性質,發(fā)現了一系列新的電子輸運現象,通過分析,解釋了其中的物理機制,設計并構筑了相應的新型納電子器件。
　　本文的主要內容如下:
　　第一章介紹了碳

3、、硅納米結構及納電子學的相關理論和功能器件應用,給出了本文的研究內容概述。
　　第二章介紹了本文的理論研究基礎和計算方法,其中包括:密度泛函理論、Landauer理論、非平衡格林函數理論。
　　第三章研究了新合成的管狀富勒烯結構D5h(1)-C90的輸運性質,在電流-電壓曲線中發(fā)現了三個負微分電阻區(qū),并且這些負微分電阻可以通過柵極電壓進行調控,分析表明,由偏壓和柵壓引起的電荷轉移、分子-電極耦合強度二者的改變是造成這些現象的

4、原因。
　　第四章研究了“二維/一維/二維”純碳π共軛納米結構(“石墨片/碳原子鏈/石墨片”和“苯環(huán)/碳原子鏈/苯環(huán)”)的輸運性質,發(fā)現了構型變化引起的開關效應。通過研究,發(fā)現二維和一維結構中透射通道的空間不對稱是導致開關效應的物理機制,而且可以推廣到金屬系統(tǒng)。我們提出并構筑了最小的純碳邏輯門以及其它器件。由于原子的移動可以直接對信息進行處理,因而我們的開關效應和器件非常適合用于納米機械控制領域。
　　第五章我們提出并研究了

5、兩種純碳結構(“非對稱接觸構型碳原子鏈-碳納米管”和“局域H飽和石墨帶”)的輸運性質。在第一種構型中,我們發(fā)現原子鏈和碳納米管的非對稱接觸可以實現電流的自旋極化,無需摻雜、鐵磁電極、和外加電場。通過改變管徑和管長能夠實現100％的自旋電流過濾。在第二種構型中,我們發(fā)現靠近石墨帶邊界的 H飽和會抑制其邊緣磁矩,導致費米面處透射為零,但是在費米面兩側存在兩個不同自旋的透射峰,提出并驗證了施加柵極的三端器件可以實現柵壓控制電流自旋極化率,幾乎

6、從100%變化到-100%,可以用作電控、純碳、雙向自旋過濾器。另外,我們發(fā)現了一大批石墨帶構型可用于此應用。
　　第六章分別研究了Co、Mn摻雜Si納米管耦合Cu電極的自旋輸運性質。在Co摻雜納米管中,發(fā)現當納米管的管長增加時,電子透射出現了從自旋未極化到自旋極化的轉變,研究表明,這種轉變的發(fā)生是由Cu電極對于邊緣Co原子磁矩的屏蔽作用以及Co原子之間自旋不對稱的相互作用共同導致的。在Mn摻雜Si納米管中,我們發(fā)現柵壓可以調控電

7、子透射的自旋極化率從0變到90%。研究發(fā)現,柵壓對Si、Mn間電子轉移的調節(jié)是內在的物理機理。另外,我們還研究了鐵磁態(tài)硅烯納米帶中溫度與自旋電流的關系,發(fā)現了自旋塞貝克效應的存在,同時,還發(fā)現自旋電流會隨著電極溫度的升高,出現先增大后減小的變化趨勢。經過對透射譜和費米分布函數的分析,發(fā)現自旋電流的變化是由于二者受溫度影響共同作用所導致的。通過對比石墨帶中的自旋塞貝克效應,發(fā)現硅烯中的自旋電流要比石墨烯中的大一個數量級,更有利于應用。分析

8、表明,二者的不同是由于石墨帶中透射峰遠離費米面所導致的。
　　第七章研究了一種具有穩(wěn)定螺旋結構的分子—“螺烯”的輸運性質,該分子兼具單層和多層石墨烯的結構特征。研究發(fā)現,當螺烯分子的面間距發(fā)生改變時,分子導電性呈現先減小后增大的U型變化趨勢。分析表明,這是由電子的層間透射和層內透射相互競爭所導致的。通過替換Au電極以及邊緣原子的方式,檢驗了螺烯的導電性變化。結果表明,U型曲線是螺烯分子結構所特有的本質屬性,并不隨這些因素的改變而發(fā)