缺陷對單壁碳納米管和石墨烯電子輸運特性影響的研究.pdf

1、40多年以來,我們在硅基電子器件方面取得了巨大的成就,并且這種器件已經廣泛地應用到了計算機、通訊、自動化及其他應用領域,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?，F(xiàn)在,我們面對的挑戰(zhàn)就在于器件小型化方法將遭遇到科學和技術的極限。當我們認識到這種方法將到達極限后,我們迫切地需要做出努力去開發(fā)替代設備技術。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、烯具有出色的電學性能,因此,它們被認為是制造下一代電子器件的候選材料。隨著高性能計算集群的發(fā)展和計算中算法的改進,使我們有可能應用基于第一性原理的數(shù)值模擬去了解原子結構的物理背景并研究器件工程問題。更重要的是計算模擬已經成為研究納米電子學最重要的一種方法。
　　 本文利用第一性原理的密度泛函理論結合非平衡格林函數(shù)方法,對單壁碳納米管中的曲率效應、分子內結、拓撲缺陷、空位缺陷對電子結構和輸運性能的影響進行了系統(tǒng)的研究。此外,我們還

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

4、屬型。小直徑碳納米管中負微分電阻的出現(xiàn)暗示了某些偏壓下電子傳輸通道被抑制。曲率效應對于直徑大于(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的影響較小。
　　 碳納米管中各式各樣的拓撲缺陷是本文研究的重點。以半導體-半導體(S-S)、金屬-半導體(M-S)和金屬-金屬(M-M)這三種類型的異質結為對象系統(tǒng)地研究了碳納米管中的異質結拓撲缺陷對輸運性質的影響。發(fā)現(xiàn)這三類異質結缺陷結構中都出現(xiàn)了定域態(tài)。偏壓

5、下出現(xiàn)了透射隙的移動并在M-S異質結中出現(xiàn)負微分電阻現(xiàn)象。此外,門壓可以有效地調制通過S-S型異質結結構中的電流。
　　 原子空位缺陷是一種點結構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碳納米管電子結構和電子輸運的影響。從轉變能的比較來看雙空位缺陷是最穩(wěn)定的缺陷結構。缺陷會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五邊形

6、和一個懸浮鍵,就足所謂的5-1DB缺陷,這個缺陷結構對電子輸運影響較小。(12,0)碳納米管中的電子輸運并不是隨著缺陷數(shù)目的增加而減弱,因為6個空位缺陷比2個空位缺陷的電子輸運更好,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隨著空位缺陷數(shù)目的增加而單調減弱。此外,Stone-Wales缺陷對碳納米管中的電子輸運是極為不利的。
　　 本文非常關注新近發(fā)現(xiàn)的石墨烯材料并模擬了鋸齒形邊緣的