碳基納米材料和器件的第一原理研究與設(shè)計(jì).pdf

1、利用基于密度泛函的第一原理量子計(jì)算模擬，我們研究了幾種碳基納米材料的電子性質(zhì)和輸運(yùn)特性，并通過(guò)對(duì)其性質(zhì)的模擬進(jìn)行了相應(yīng)的器件設(shè)計(jì)，提出了一些構(gòu)建碳基納米器件的設(shè)想。 首先，研究了富勒烯純碳分子器件的電子輸運(yùn)性質(zhì)，并演示了該分子結(jié)作為納米電子開(kāi)關(guān)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(wú)限長(zhǎng)的碳納米管構(gòu)建全碳分子結(jié)體系。我們發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)一電極都可以使

2、這種體系的朗道電導(dǎo)有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化，電子透射得到有效調(diào)制。由此，我們提出了基于富勒烯分子全碳分子結(jié)成為納米電子開(kāi)關(guān)的可能性。同時(shí)，我們論證了分子構(gòu)型選擇、結(jié)構(gòu)弛豫和摻雜在此類器件設(shè)計(jì)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(xué)特性和輸運(yùn)性質(zhì)，并重點(diǎn)研究了石墨納米帶缺陷效應(yīng)。主要研究了帶內(nèi)和邊緣的單空位、帶內(nèi)雙空位拓?fù)淙毕菪?yīng)以及雙空位缺陷處的氣體吸附性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，各種缺陷濃度、位置和取向?qū)ζ淠軒ЫY(jié)構(gòu)和輸

3、運(yùn)性質(zhì)有影響，其原因在于缺陷的存在改變了石墨納米帶幾何結(jié)構(gòu)、破壞了對(duì)稱性，也歸哲于納米帶的量子尺寸效應(yīng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，從能量上看氣體分子在缺陷處吸附更趨穩(wěn)定，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。 第三，深入討論了具有Stone-Wales(SW)缺陷的半導(dǎo)體性石墨納米帶的羧基(COOH)化學(xué)功能化，提出了功能化的缺陷石墨納米帶成為未來(lái)化學(xué)傳感器的可能性。我們研究發(fā)現(xiàn)SW缺陷和羧基(COOH)的相互作用會(huì)導(dǎo)致SW-GNRs的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的改

4、變。通過(guò)增強(qiáng)軸向SW缺陷-羧基(COOH)對(duì)濃度，系統(tǒng)電導(dǎo)率會(huì)顯著增加，最終會(huì)由半導(dǎo)體行為轉(zhuǎn)變?yōu)閜-型金屬行為。 最后，設(shè)計(jì)了兩種基于T型結(jié)結(jié)構(gòu)的石墨納米帶(T-GNRs)和基于十字型結(jié)結(jié)構(gòu)的石墨納米帶(十-GNRs)，并研究了這些結(jié)構(gòu)的本征電子傳輸性質(zhì)和氮(或硼)摻雜效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，各種結(jié)的電子和傳輸特性十分依賴其自身的手性、長(zhǎng)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(zhǔn)二維的連接結(jié)構(gòu)有望成為納電子器件中能調(diào)控電導(dǎo)