检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：廖烈鸿杭州电子科技大学

学位级别：硕士

基于扶手椅型四方硅烯(ATSNR)和β硼烯(ABNR)两种类六角蜂窝结构,本文建立了这两种二维材料的异质结模型。研究发现,垂直电场和交换场同时作用会使四方硅烯异质结中出现完全自旋极化现象,导致中心散射区的电子处于高度极化状态。特别是... 详细信息

基于扶手椅型四方硅烯(ATSNR)和β硼烯(ABNR)两种类六角蜂窝结构,本文建立了这两种二维材料的异质结模型。研究发现,垂直电场和交换场同时作用会使四方硅烯异质结中出现完全自旋极化现象,导致中心散射区的电子处于高度极化状态。特别是,在自旋轨道耦合较强时,自旋极化现象仍能存在;边缘势垒会使硼烯异质结打开带隙,使硼烯从金属态转变成半导体态。本文研究了势能、垂直电场、铁磁交换场和自旋轨道耦合对四方硅烯能带的影响。研究结果表明,正(负)势能可以抬高(降低)能带曲线;垂直电场可以打开四方硅烯的带隙,带隙的大小等于两倍的子晶格势能;在垂直电场的作用下,交换场可以重新调制自旋相关能带,并在费米面附近出现完全自旋极化的子带,此时子晶格势能等于交换场幅值。如果子晶格势能大于交换场幅值,则可以使体系打开带隙;自旋轨道耦合让自旋子带倾斜,倾斜角度跟自旋轨道耦合强度呈正相关。本文研究了硼烯的尺寸效应以及边缘势垒对硼烯能带结构的影响。研究发现,在N≤22时体系为半导体,而在N≥27时转变为导体;边缘势垒对硼烯的能带有明显的调控作用。当N=22时,随着边缘势垒的增大,硼烯发生从半导体到导体,再到半导体的重复变化;当N=27时,边缘势垒的加入使硼烯从导体转变成半导体。另外,本文利用四方硅烯和β硼烯两种材料分别设计了一个电子器件,并对这两个器件的输运性质进行了研究:1.开关控制的四端口ATSNR自旋电流分离装置。中心散射区两个独立通道中的电子,在电场和交换场的综合影响下处于自旋极化的状态。由于两通道电场和交换场的方向相反,因此它们的极化状态相反。开关可以选择性接入高势垒,当势垒为零时,电子更倾向通过开关区域流入中间端口;接入势垒时,电子的流动路线被阻断。通过不同的开关组合,此装置可以控制中间端口的自旋极化方向。2.边缘势垒控制的阶梯延展的回型ABNR电流开关装置。中心散射区通过四个阶梯结构延展成回型样式,两个通道形成一个回型闭环结构。上下边缘接入一个线状底栅极电压,以此来控制通道中电子的流通状态。当只有一个通道的边缘势垒存在时,电子可以通过另一个通道流入;当两个通道均接入边缘势垒时,此装置的电子在较大的能量范围内无法发生透射。阶梯结构的阶梯数对装置的输运性质也会产生影响,计算结果表明,阶梯结构会带来零电导平台,当阶梯数足够小时,零电导平台消失。此装置可用来制作硼基纳米开关。

关键词：非平衡格林函数方法四方硅烯 β12硼烯自旋极化自旋电流分离装置纳米开关输运性质

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磁性分子结和隧道结的自旋极化输运特性的理论研究

磁性分子结和隧道结的自旋极化输运特性的理论研究

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作者：胡玉洁中国科学技术大学

学位级别：博士

自旋电子学器件利用电子的自旋属性实现了更高效率的信息存储、传递和处理。近年来自旋电子学领域发展迅猛,其核心关键科学问题是自旋的有效注入、长距离的自旋极化输运、自旋取向的检测和调控。当前自旋电子学大部分研究内容集中在巨... 详细信息

自旋电子学器件利用电子的自旋属性实现了更高效率的信息存储、传递和处理。近年来自旋电子学领域发展迅猛,其核心关键科学问题是自旋的有效注入、长距离的自旋极化输运、自旋取向的检测和调控。当前自旋电子学大部分研究内容集中在巨磁电阻效应、隧穿磁电阻效应、自旋转移力矩效应等,其中,基于隧穿磁电阻效应的磁性隧道结被广泛应用到自旋电子学器件中。分子自旋电子学,将分子电子学与自旋电子学有机结合起来,从分子出发,通过自下而上的方法可以构建出功能型、低能耗分子自旋电子器件。在本博士学位论文,主要采用密度泛函理论计算结合非平衡格林函数的方法,研究了自旋翻转单核Fe(Ⅱ)分子结的自旋极化输运性质,发现分子结在外电场作用下同时具有分子开关和自旋过滤效应,而施加温度梯度后,体系呈现出热自旋过滤和负微分热阻;提出了双极性磁性分子概念,在门压调控下可实现不同自旋通道100%自旋极化输运;基于BMMs分子设计出自旋热电子学器件,通过门压调控实现热自旋过滤和纯自旋流;构建出两个三明治夹心结构磁性隧道结,它们均具有显著的隧穿磁电阻比。具体研究内容如下:(1)在外电场、光、热和压力等调制下,高自旋和低自旋态之间可以可逆切换,具有磁双稳态的自旋翻转化合物被认为是构建分子自旋电子器件一类最有潜力的候选材料。为此,我们研究了自旋翻转单核Fe(Ⅱ)分子结在外加偏压和温度梯度下的自旋极化输运特性。理论计算表明,在小偏压范围内,通过具有高自旋(HS)态的分子结的电流显著大于低自旋(LS)态,使得体系具有分子开关效应。对于具有HS态的分子结,其电流由下自旋电子主导,导致了显著的自旋过滤效应。计算HS态的分子结在温度梯度驱动下产生的自旋热电流时,观察两个有趣的自旋热电子输运特性-热自旋过滤和纯自旋流。此外,这些电驱动和热驱动的自旋极化输运特性对分子与电极之间界面构型不是很敏感,这非常有利于实验研究。这些研究表明自旋翻转Fe(Ⅱ)化合物在分子自旋电子学和自旋热电子学中具有很大的应用前景。(2)在分子自旋电子学领域,迫切需要在单分子尺度用电场来调控器件的自旋极化输运通道,为此,我们提出了双极磁性分子(bipolar magnetic molecules,BMMs)概念。BMMs具有独特的分子前线轨道,其最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)来自两个不同的自旋通道。通过改变门压方向,可以将基于BMMs的单分子器件的费米能级可逆地调至HOMO或LUMO处,在单分子水平上实现自旋通道的可控切换,获得不同自旋通道100%自旋极化电流。利用过渡金属配合物分子中配体和配位模式的多样性和易调节性,经过理性设计和筛选,我们成功地找到了九个潜在的BMMs,相应的自旋极化输运性质计算结果证实了 BMMs概念及其自旋通道可逆调控的可行性。这一研究不仅提出了新的BMMs概念,也表明BMMs是未来实验上构建分子自旋电子学器件的一类非常潜力的候选材料。(3)为了验证BMMs应用于自旋热电子学的可能性,基于前一个工作中筛选出 2 个的 BMMs,即 Vphen2NCS2(phen=1,10-Phenanthroline)和 Vbtz2NCS2(btz=2,2'-Bi-4,5-dihydrothiazine),我们设计出单分子自旋热电子模型器件。理论计算结果表明,通过改变门压(VG)的大小,分子结在外加温度梯度时可以产生近乎完美的热自旋过滤效应和自旋塞贝克效应(SSE),源自BMMs的HOMO和LUMO来自两个不同的自旋通道。当外加门压将分子结费米能级位置调整到HOMO和LUMO之间的某一位置处,施加温度梯度后,观察到纯的自旋流通过分子结,而当改变门压大小,将体系费米能级位置调至HOMO或LUMO处,则获得自旋上或自旋下电子主导的热电流。这些研究表明BMMs是构建自旋热电子学器件一类有潜力的候选材料,也为实验上操控单分子自旋热电性能提供了有指导意义的理论策略。(4)由于在自旋电子学中具有广阔应用前景,具有高隧穿磁电阻比的磁性隧道结正引起人们的研究兴趣。为此,我们构建出两个具有周期性的三明治夹心结构磁性隧道结(MTJ),并对其自旋极化输运特性进行了理论研究。利用赫斯勒合金材料Co2MnSi作电极和半导体材料SrTiO3作隧障设计出第一个MTJ,发现体系处于平行磁化状态(PC)和反平行磁化状态(APC)时的零偏压透射谱差别极大,在费米能级附近,APC的透射系数要远远小于PC,体系的隧穿磁电阻比(TMR ratio)高达107。通过分析态密度和输运函数等计算结果,发现体系的巨隧穿磁电阻比源自Co2MnSi电极的半金属性及界面处Ti原子3d轨道的自旋极化。基于二维铁磁材料Fe3GeTe2,搭建出第二个MTJ-将Fe3GeTe2/h-BN/Fe3GeTe2范德华异质结夹在两个金电极之间,零偏压下体系的隧穿磁

关键词：自旋翻转Fe(Ⅱ)化合物双极磁性分子单分子结磁性隧道结密度泛函理论非平衡格林函数方法

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铁基分子器件自旋输运特性的理论研究

铁基分子器件自旋输运特性的理论研究

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作者：高靖萱长春师范大学

学位级别：硕士

随着科学技术的快速发展,信息技术也呈现着日新月异的变化,电子元件的尺寸正呈现着指数型的变小,而从目前来看纳米量级的电子器件已经出现了大规模的量产,传统以硅骨架制作的半导体元件的大小已经趋于极限,这也让更多的研究者思考下一... 详细信息

随着科学技术的快速发展,信息技术也呈现着日新月异的变化,电子元件的尺寸正呈现着指数型的变小,而从目前来看纳米量级的电子器件已经出现了大规模的量产,传统以硅骨架制作的半导体元件的大小已经趋于极限,这也让更多的研究者思考下一代信息技术处理方式的候选材料,在传统原子分子结构上设计器件的分子电子学已成为当前国内外的一个前沿研究领域。自旋交叉（SCO）配合物作为分子自旋电子学中最有前途的组成部分之一,由于其在高自旋（HS）和低自旋（LS）态之间的磁双稳态而受到越来越多的关注。本篇论文通过密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的第一性原理的计算方法,基于Fe（Ⅱ）自旋交叉体系来构建分子器件,探讨其输运性质,并通过对配合物分子进行修饰、锚定原子种类以及电极种类等方面,探究分子器件内部的输运机理,预测并解释分子构型的变化以及外界环境因素对分子器件输运行为的影响,提出可行的功能分子器件的设计方案,从而构建和优化功能性的分子自旋电子器件,如分子自旋阀、分子自旋开关、分子自旋过滤器、单分子自旋逻辑门等。本文主要研究内容有:（1）通过结合非平衡格林函数技术进行密度泛函理论计算,探索了具有两种不同自旋构型（S=0和S=2）的四配位双（甲氮酸酯）Fe（Ⅱ）SCO配合物的电子结构和输运性质。计算结果表明,在外界刺激下,通过改变Fe-N键长和配体平面之间的二面角,可以实现HS和LS态之间的自旋跃迁,这与以前的实验测量结果非常一致。为了探索其输运性质,将具有不同自旋构型的Fe（Ⅱ）-N4 SCO配合物夹在两个周期性Au（111）块电极之间,构建了模型分子结。根据计算的输运结果,当偏压小于0.1 V时,通过不同自旋构型的分子结的电流都很低。而当偏压大于0.1 V时,通过HS配置的分子结的电流迅速增加,显著高于LS配置的分子结。受扰动的HOMO引起的透射峰向费米能级的偏移是通过HS配置的分子结的电流迅速增加的原因。此外,具有HS态的SCO配合物的输运性质主要由自旋向上电子控制,表明其具有强烈的自旋过滤效应。基于这种Fe（Ⅱ）SCO配合物,可以构建一种集开关和高自旋过滤效率于一体的双功能分子器件,这标志着它在分子电子学和自旋电子学中有着广阔的应用前景。（2）通过密度泛函理论结合非平衡格林函数对具有不同自旋构型的Fe（Ⅱ）-N4SCO配合物与周期性Au（100）纳米线电极构成的分子结进行了研究。结果表明:Au纳米线电极HS配置的Fe（Ⅱ）-N4-SCO器件,具有很好的自旋过滤效应和负微分电阻（NDR）行为。在小偏压下通过HS配合物Fe（Ⅱ）-N4的自旋向下电子的电流很微弱,不超过20n A,电流主要是由自旋向上的电子贡献的,随着电压增加,电流变化趋势先增大后减小,电流在0.2V时达到最高值（1577.3 n A）,随后开始下降,峰谷比为606。通过分别选取供电子和吸电子取代基（B-OCH3,C-OH,D-NH2,E-CH3,F-F和G-NO2）取代配合物Fe（Ⅱ）-N4分子中H的方式对配合物进行修饰后组成分子器件的研究结果表明:器件B、D的自旋过滤效应和NDR行为更加优秀,HS构型自旋向上电子的电流变化趋势先增大后减小,在0.25V左右达到最大（3036 n A,2514 n A）。桥接原子种类即锚定原子对HS的电子结构器件的输运能力有着极大的影响,采用Se、Cl原子来替换锚定原子S后发现,HS构型配合物的导电能力急剧下降,电流最高值分别只有71 n A和26 n A,通过HS配合物的电流几乎观察不到自旋过滤效应和NDR行为,说明Se和Cl原子的连接效果远不如S原子。将Au纳米线更换为Ag纳米线进行研究后发现,HS配合物的导电能力同样急剧下降,最高值只有15.46 n A,并低于LS时的电流值。综合以上研究表明,S连接的Au纳米线电极HS配置的配合物Fe（Ⅱ）-N4的分子器件、以及供电子基团-OCH3,-NH2修饰后的B,D分子器件在自旋过滤效应和负微分电阻（NDR）效应的分子自旋电子器件中具有潜在的应用价值。

关键词：非平衡格林函数方法密度泛函理论分子自旋电子器件自旋交叉

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石墨烯卟啉基多功能分子自旋器件的理论设计与性能研究

石墨烯卟啉基多功能分子自旋器件的理论设计与性能研究

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作者：张雯斐山东师范大学

学位级别：硕士

基于集成电路的不断发展,以分子为单元来建构各种电子器件已成为元件不断小型化的有效手段之一。随着理论方法和实验工艺的提高和创新,利用电子的电荷和自旋双重属性设计制备分子自旋电子器件成为可能。与传统的硅基电子器件相比,分子... 详细信息

基于集成电路的不断发展,以分子为单元来建构各种电子器件已成为元件不断小型化的有效手段之一。随着理论方法和实验工艺的提高和创新,利用电子的电荷和自旋双重属性设计制备分子自旋电子器件成为可能。与传统的硅基电子器件相比,分子自旋电子器件具有能耗低、响应速度快、集成度高等优势,使得其在信息化的新时代受到研究人员的广泛关注。在分子自旋电子器件发展过程中,石墨烯因其优异的导电和光学等性能成为理想的电极材料之一,同时,具有稳定平面结构的卟啉基分子因其优异的光电性能以及易于结合过渡金属展现出丰富的自旋特性深受人们青睐。因此以石墨烯电极和卟啉基分子构建的分子自旋器件成为了目前的研究热点。对于分子尺度上的自旋输运性质及其影响因素的理解是提高分子自旋器件性能和设计制备出多功能分子自旋器件的必要前提,也是推动分子自旋电子学发展必须探究的主要问题之一。本论文基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法研究了分子与电极接触、初始自旋构型等因素对石墨烯卟啉基分子器件的自旋输运特性的影响,在此基础上设计出具备多种功能的分子自旋电子器件。本论文的主要研究内容和结果概括如下:1.基于石墨烯铬卟啉配合物的多功能分子自旋器件对于纳米器件而言,量子干涉效应(Quantum Interference Effect,QIE)发挥着至关重要的作用。金属卟啉配合物在平面内能够自由地旋转,所以可以与石墨烯电极接触形成不同接触界面的分子器件。因此,我们将金属铬卟啉分子通过类似于环戊烷或苯环的接触构型桥接到扶手椅形石墨烯纳米片电极之间,研究分子与电极不同接触方式和QIE对分子器件自旋输运性质的影响。计算结果表明,两器件在平衡态下的透射谱中出现法诺共振和反共振峰。分析发现法诺共振是由能量相近的铬卟啉分子局域分子轨道与电极连续态之间的量子干涉所致,反共振峰的产生与相邻分子轨道电子空间分布的宇称失配相关。在费米能级附近,两分子结不仅都实现了理想的自旋过滤效应,而且通过接触界面的转换实现了自旋向上与自旋向下电子反共振峰的转换,从而实现了自旋过滤翻转。此外,接触界面的改变实现了p型、n型两种载流子的切换。因此,该工作对构建多功能器件以及提高器件的性能方面具有重要意义。2.基于石墨烯锰卟啉配合物的分子自旋逻辑门由一个或多个分子组成的自旋逻辑门非常有潜力成为应用于集成电路的基本模块。直接在单个分子上实现逻辑运算可以节约成本、减小占据空间,提高集成度。我们选用经六碳原子链连接的双锰卟啉分子为功能分子,在其两侧通过四碳原子链对称地连接到扶手椅形的石墨烯纳米带电极上构建分子器件。根据该分子结结构和自旋排序对称性的特点,研究了其中7种典型初始自旋构型的自旋输运性质。计算结果表明,自旋极化电流随电压的变化曲线依赖于过渡金属锰原子和电极与分子接触的锯齿形边缘碳原子的初始自旋构型。进一步分析得到不同的自旋构型影响左右两个锰卟啉分子的电子态分布以及它们之间的相互作用,从而产生不同的自旋极化电流-电压特性。详细地组合不同的自旋输入信号以及其自旋极化输出电流在合适的工作偏压区间,设计出了同时具备“是”、“非”、“或”、“或非”以及“异或”等多种逻辑功能的分子自旋器件。论文内容主要分为五部分:第一章对分子自旋电子学发展史、部分分子自旋电子器件、石墨烯性质与应用以及卟啉分子的相关内容进行简要介绍;第二章介绍了研究分子器件电输运性质的理论方法,并采用该方法研究了石墨烯作为电极在分子器件中的电输运性质。为后续石墨烯电极在自旋极化输运性质的研究提供理论支持;第三章研究了铬卟啉分子与石墨烯电极不同接触方式对其自旋极化输运性质的影响,研究其在自旋过滤以及载流子种类转换中的应用;第四章同时调节分子与电极的自旋态,研究不同的初始自旋组合对器件输运性质的影响;第五章对所做工作进行总结和展望。

关键词：石墨烯卟啉基分子器件自旋逻辑门自旋过滤效应密度泛函理论非平衡格林函数方法

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基于C3N-Graphene横向异质结电荷输运性质的第一性原理研究

基于C3N-Graphene横向异质结电荷输运性质的第一性原理研究

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作者：陈丽媛山东师范大学

学位级别：硕士

具有单原子厚度的二维材料石墨烯（Graphene）自2004年在实验上被发现以来,其电学性质被广泛研究。然而其零带隙的特性,使其场效应晶体管的电流开关比小于100,导致石墨烯在半导体领域的应用受到了一定的限制。随后,科研人员发现将石墨... 详细信息

具有单原子厚度的二维材料石墨烯（Graphene）自2004年在实验上被发现以来,其电学性质被广泛研究。然而其零带隙的特性,使其场效应晶体管的电流开关比小于100,导致石墨烯在半导体领域的应用受到了一定的限制。随后,科研人员发现将石墨烯与其他的二维材料构成异质结可以带来有趣的电子特性,并且这些新颖的异质结在纳米电子器件领域得到进一步的发展。基于其构成方式不同,异质结主要归为两类:纵向异质结和横向异质结。纵向异质结是由原子之间的范德华相互作用力形成的堆叠结构,横向异质结是由原子之间的共价键连接在一起形成的平面异质结。相比于纵向异质结,横向异质结虽然合成相对困难,但其优异的输运特性吸引了实验和理论的大量研究。为拓宽石墨烯的应用以及发现更多新的电学特性,科研人员对石墨烯与其他二维材料形成的横向异质结展开了一系列研究,然而目前对于二维材料的类型以及异质结界面影响等问题的探索仍然比较匮乏。近期,实验研究发现类石墨烯蜂窝状二维材料C3N具有0.39 e V的间接带隙和较高的载流子迁移率,基于单层C3N的背栅场效应晶体管的电流开关比为5.5×1010,因此C3N是非常具有潜力的半导体材料。考虑到二维材料C3N的半导体性质和石墨烯的零带隙特点以及二者之间晶格失配度较低的优势,我们对沿着不同输运方向的C3N-Graphene横向异质结电荷输运性质进行了研究,研究表明输运沿着Armchair方向的异质结具有优异的整流性能。除此之外,施加电场和原子掺杂是可以调节C3N电学性质的有效方式,因此我们理论上探究了施加栅压和原子掺杂对C3N-Graphene横向异质结电荷输运性质的影响。本文我们利用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法对基于C3N-Graphene横向异质结的电荷输运性质展开了研究,研究内容和主要结论如下:1.不同界面类型和施加栅压对C3N-Graphene横向异质结电荷输运性质的影响为了设计出高稳定性和多功能的异质结器件,我们对影响横向异质结电荷输运性质的因素进行了研究。首先,我们设计了沿输运方向原子呈锯齿形排列的异质结（Z-C3N-G）和呈扶手椅形排列的异质结（A-C3N-G）。理论研究表明,由于界面类型不同,两种异质结表现出不同的电荷输运性质。相比于Z-C3N-G异质结,A-C3N-G异质结具有优异的整流性能。前者在零偏压下位于费米能级上方和下方的两个较大透射峰距离费米能级较近,使得正负偏压较小时两个透射峰开始进入偏压窗贡献电流,导致整流比较小。相比于前者,后者在零偏压下位于费米能级上方和下方的两个透射峰向远离费米能级的方向移动,尤其是费米能级上方透射峰的移动更加明显,导致正偏压下费米能级以上的透射峰不再进入偏压窗贡献电流,从而提高了整流比。进一步分析表明,形成A-C3N-G异质结对界面处石墨烯的电子态分布影响较大,导致了透射峰的分布相对于费米能级不对称。除此之外,我们理论上计算了施加栅压对Z-C3N-G异质结整流性能的影响。计算结果表明,在-15 V栅压的调控下异质结的整流比提高了三个数量级。进一步分析表明,对中心散射区的C3N施加适当的栅压可以明显调节这部分电子态的分布,导致透射峰在费米能级上下分布的不对称,进一步提高整流比。2.B原子掺杂浓度对C3N-Graphene横向异质结电荷输运性质的影响多项研究证明二维材料C3N的带隙随着B原子掺杂N原子以及掺杂浓度的变化而变化,因此B原子掺杂也会对C3N-Graphene横向异质结的电子结构和电荷输运性质有重要的影响。为探究B原子取代N原子对Z-C3N-G异质结器件整流性能的影响,我们分别对B原子掺杂浓度为0%,50%和100%的异质结进行了计算。结果发现,相比于未掺杂的异质结,掺杂浓度为100%时,异质结的整流比提高了四个数量级,并且整流方向发生反转。进一步分析表明,掺杂导致了费米能级上方的透射峰强度增强以及费米能级下方的透射峰距费米能级变远,使得正偏压下进入偏压窗贡献电流的透射峰强度增强,而在负偏压下几乎不再有透射峰进入偏压窗贡献电流,导致了整流比的提高。同时研究表明,对于这三类横向异质结,器件电荷输运性质是由器件中原子的Px轨道决定。这些输运机制的研究,为二维材料在纳米器件中的应用提供了思路。本论文一共由四章内容组成:第一章为绪论部分,简单介绍了二维材料的背景、二维材料电子性质的调控方法以及异质结的分类。第二章和第三章介绍了具体工作和理论结果。第二章研究了不同界面类型和施加栅压对C3N-Graphene横向异质结电荷输运性质的影响。第三章研究了B原子掺杂对C3N-Graphene横向异质结电荷输运性质的影响。第四章是对本文工作的总结以及对横向异质结未来发展的展望。

关键词： C3N-Graphene横向异质结密度泛函理论非平衡格林函数方法电荷输运性质

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石墨烯纳米带电极区N掺杂电子输运性质研究

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原子与分子物理学报 2021年第1期38卷 52-56页

作者：卜习习苗瑞霞郭三栋叶海安邵奇西安邮电大学电子工程学院西安710121

运用密度泛函理论和非平衡格林函数结合的方法,研究电极区N掺杂对扶手椅型石墨烯纳米带电子输运特性的影响.结果表明,与本征扶手椅型石墨烯纳米带电流-电压曲线相比,宽度为7的石墨烯纳米带电流-电压曲线表现出明显的不对称性,其中心N掺... 详细信息

运用密度泛函理论和非平衡格林函数结合的方法,研究电极区N掺杂对扶手椅型石墨烯纳米带电子输运特性的影响.结果表明,与本征扶手椅型石墨烯纳米带电流-电压曲线相比,宽度为7的石墨烯纳米带电流-电压曲线表现出明显的不对称性,其中心N掺杂表现强烈的整流特性,整流系数达到10^(2)数量级,且将N原子从电极区中心位置移动到边缘,整流特性减弱.研究结果表明宽度为7的扶手椅型石墨烯纳米带出现强整流现象的原因主要是负向偏压下能量窗内没有透射峰引起的,该研究结果对将来石墨烯整流器件的设计具有重要的意义.

关键词：电子输运整流现象非平衡格林函数方法石墨烯纳米带

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石墨烯纳米带整流器件电子输运性质研究

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传感器与微系统 2021年第4期40卷 8-10,14页

作者：叶海安苗瑞霞郭三栋王少青卜习习邵奇西安邮电大学电子工程学院陕西西安710121

运用密度泛函理论和非平衡格林函数结合的方法,研究中心散射区长度对右电极中心N掺杂的扶手椅型石墨烯纳米带电子输运特性的影响。研究表明:在正向偏压下,不同中心散射区长度的扶手椅型石墨烯纳米带电流随着电压的增加而增大;而在负向... 详细信息

运用密度泛函理论和非平衡格林函数结合的方法,研究中心散射区长度对右电极中心N掺杂的扶手椅型石墨烯纳米带电子输运特性的影响。研究表明:在正向偏压下,不同中心散射区长度的扶手椅型石墨烯纳米带电流随着电压的增加而增大;而在负向偏压下,随着中心散射区长度的增加,偏压窗内的透射系数逐渐减小,电流不随电压的变化而变化,电流值接近为零,器件呈现出明显的整流特性。所以,在一定长度范围内,随着中心散射区长度的增加,器件的整流特性逐渐增强。出现该现象的原因可能是负向偏压下偏压窗内没有透射峰引起的,该研究结果对未来石墨烯整流器件的设计具有重要的意义。

关键词：石墨烯纳米带整流现象非平衡格林函数方法中心散射区

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分子磁性隧道结中杂化界面态及自旋输运性质的理论研究

分子磁性隧道结中杂化界面态及自旋输运性质的理论研究

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作者：邱帅山东师范大学

学位级别：博士

基于磁电阻效应的磁性隧道结是硬盘磁读头的核心结构单元之一,它更新了信息存储技术,使硬盘朝着高存储密度和微型化的方向迅速发展。随着其不断地小型化,人们开始关注使用有机分子作为磁性隧道结的中间层,构建分子磁性隧道结。相比于传... 详细信息

基于磁电阻效应的磁性隧道结是硬盘磁读头的核心结构单元之一,它更新了信息存储技术,使硬盘朝着高存储密度和微型化的方向迅速发展。随着其不断地小型化,人们开始关注使用有机分子作为磁性隧道结的中间层,构建分子磁性隧道结。相比于传统的无机材料中间层,有机分子体积更小、可修饰性更强、响应速度更快、成本和功耗更低。另外,有机分子的主要成分为碳、氢等轻元素,具有自旋轨道耦合弱和自旋弛豫时间长等优点,有利于自旋的调控和输运。然而,分子磁性隧道结中的自旋输运机制较为复杂,原因之一在于当有机分子与铁磁金属化学接触时会发生轨道杂化,产生杂化界面态。杂化界面态位于费米能级附近,对器件低偏压下的自旋输运性质起着决定性的作用。同时,其自旋极化性质对界面接触构型以及分子结构等因素较为敏感,具有较强的可控性。科研人员针对铁磁/分子自旋界面开展了大量的研究,然而,到目前为止,分子磁性隧道结中杂化界面态对自旋输运性质的影响机制尚不明确。如何通过操纵杂化界面态,进而调制分子磁性隧道结的自旋输运性质有待探索。本论文利用基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法,分别研究了分子的末端基团、质子化、分子内几何扭转角、量子干涉以及官能团等因素对分子磁性隧道结杂化界面态及自旋输运性质的影响。相关研究内容和结果概括如下:分子和铁磁金属的接触细节会对杂化界面态产生显著的影响,并且分子中不同杂化类型的原子可以与铁磁金属的3d轨道发生不同形式的界面杂化。在分子磁性隧道结中,末端基团是连接分子和铁磁电极的桥梁,影响着分子和电极之间的接触和耦合。我们选用不同杂化类型和电负性的末端原子,研究其对杂化界面态以及自旋输运性质的影响。研究结果表明杂化界面态的自旋极化率随能量的变化关系依赖于末端原子的杂化类型,并且电负性较大的末端原子会使自旋极化率曲线发生红移。这一红移将导致自旋极化率在费米能级附近发生明显变化。进一步的输运计算发现,分子磁性隧道结的自旋输运性质与杂化界面态有着密切的关系。当末端原子的杂化类型相同时,其电负性越大,器件在低偏压下的隧穿磁电阻越大。Brooke等人在实验中观测到了1,2-二(4-吡啶基)乙烯(4,4’-vinylenedipyridine,简称为44VDP)单分子结由溶液p H值变化引起的电导开关现象。他们指出这是由于44VDP分子中吡啶基团的质子化改变了分子与镍电极的连接所导致的,但是并没有给出详细的理论解释。我们基于实验中的44VDP单分子器件结构,进一步考虑了两个镍电极的相对磁化方向,研究了质子化对44VDP分子磁性隧道结杂化界面态及自旋输运性质的影响。研究结果解释了实验中发现的开关现象机制,即44VDP分子中吡啶基团的质子化减弱了分子和金属之间的界面耦合强度。更重要的是,我们发现质子化作用同时引起铁磁/分子杂化界面态数量减少和自旋极化性质改变,并进而导致分子磁性隧道结的自旋输运性质发生明显的变化,如隧穿磁电阻从正值到负值发生反转和电流自旋极化率大幅提升。在前面的研究工作中,我们通过改变分子和铁磁电极的接触细节来研究分子磁性隧道结中杂化界面态和自旋输运性质的变化。那么随后一个值得探究的问题是,如果保持分子和电极接触细节不变,只改变分子内部结构,分子磁性隧道结中的杂化界面态是否会发生变化,对自旋输运性质的影响又如何呢?我们首先研究了分子内几何扭转角对联苯分子磁性隧道结杂化界面态及自旋输运性质的影响。研究结果表明,随着联苯分子中两个苯环之间扭转角的变化,杂化界面态和分子轨道具有不同的响应机制。从态密度上看,杂化界面态几乎不发生改变,而分子轨道则会产生明显的移动;从透射谱上看,杂化界面态贡献的透射峰位置不变,高度发生变化,而分子轨道贡献的透射峰位置发生移动,高度几乎不变。进一步的输运计算表明,由杂化界面态贡献的自旋相关的电流随扭转角的增大受到抑制,且与扭转角余弦值的平方成正比,这与无明显杂化界面态效应的非磁性分子结中的相关结果一致。但是,在相对较高的偏压下,增大扭转角却可以使隧穿磁电阻得到增强。隧穿磁电阻随扭转角的变化依赖于偏压大小和杂化界面态的具体情况,后者可以通过更换末端基团来实现。在分子磁性隧道结中,费米能级附近的电子态对器件的自旋输运性质极为重要。除杂化界面态外,在单分子结中,另外一种在费米能级附近发生的可有效调控器件输运的现象是相消量子干涉,即电子透射几率在某些能量处被强烈抑制。我们探索了一种将杂化界面态和相消量子干涉相结合来操控分子磁性隧道结自旋输运性质的方法。通过将间位连接的低聚亚苯基亚乙炔基(Oligo-phenylene-ethynylene,简称为OPE)分子中间苯环的不同位置的碳原子用氮原子取代,发现可以有效地调节相消量子干涉反共振特点的位置。分子结构改变引起的相消量子干涉反共振特点位置的变化对杂化界面态的态密度几乎没有影响,但却可以选择性地抑制杂化界

关键词：分子自旋电子学分子磁性隧道结杂化界面态非平衡格林函数方法

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共轭端基和电极材料对σ-π型分子整流性能影响的第一性原理研究

共轭端基和电极材料对σ-π型分子整流性能影响的第一性原理研究

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作者：赵金铭山东师范大学

学位级别：硕士

随着传统的硅基半导体电子器件濒临尺寸极限,在纳米尺度以单个分子为基本组成单元设计并制备体积更小、响应速度更快、能耗更低的单分子电子器件是解决电子器件继续小型化困难的方案之一。近几十年以来,众多科研人员通过发展实验技术手... 详细信息

随着传统的硅基半导体电子器件濒临尺寸极限,在纳米尺度以单个分子为基本组成单元设计并制备体积更小、响应速度更快、能耗更低的单分子电子器件是解决电子器件继续小型化困难的方案之一。近几十年以来,众多科研人员通过发展实验技术手段和完善理论研究方法,研发出分子整流器、分子开关、分子场效应管、分子导线、分子自旋过滤器、分子传感器等一系列功能性分子器件。具有单向导通功能的分子整流器（又称为分子二极管）因其在分子电路中的重要作用吸引了科研人员的目光并且取得了长足进展。基于自组装单层膜（Self-Assembly Monolayers,SAMs）实验技术,一系列由一个烷烃硫醇骨架(HS（CH2）_n,缩写为SC_n)和一个共轭端基组成的σ-π型分子被合成出来并应用于分子二极管,科研人员已经观测到这一类分子具有很高的整流比。为了继续提升这类分子整流器的整流性能,应对影响σ-π型分子整流性能的关键因素（例如共轭端基、电极材料、共轭端基与电极的夹角、前线分子轨道与电极费米能级之间的相对位置、电极费米能级附近前线分子轨道的数目、烷烃链的长度以及施加的偏压等）进行深入研究。本论文利用基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法,系统研究了共轭端基和电极材料对σ-π型分子整流性能的影响。首先,具体讨论了共轭端基（二茂铁基团,Fc或双二茂铁乙炔基团,Fc-C≡C-Fc）和电极材料（Ag电极或Pt电极）对单分子二极管输运性质的影响。在此基础上,从理论上设计了具有极高整流比的双联吡啶乙炔基十一烷烃硫醇分子。本论文具体的研究内容和结果概括如下。1.共轭端基和电极材料对共轭基十五烷烃硫醇分子整流性能的影响设计并制备具有良好整流性能以及很高稳定性和重复性的单分子二极管是分子电子学的重要研究方向。相比于其他分子二极管,基于σ-π型分子的分子二极管的整流比得到很大提升。影响这一类分子整流器件电荷输运性质的诸多因素中,共轭端基以及电极材料尤为重要。在该工作中,利用基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法,我们研究了共轭端基（Fc或Fc-C≡C-Fc）以及电极材料（Ag电极或Pt电极）对σ-π型分子整流性能的影响。计算结果表明,当电极材料一定时,相比于二茂铁基十五烷烃硫醇分子(SC15Fc),双二茂铁乙炔基十五烷烃硫醇分子(SC15Fc-C≡C-Fc)的整流比可以提高大约30倍;当σ-π的分子共轭端基一定时,用对称的Pt电极替换对称的Ag电极,单分子二极管的整流比的最大值可以提高一个数量级。进一步分析表明,前者整流比的增加是由于当Fc基团被替换为Fc-C≡C-Fc基团,电极费米能级（EF）附近电子隧穿轨道的数目增加造成的;后者整流比的增加是由于S-Pt键比S-Ag键的耦合强度更强导致Pt电极上电子隧穿轨道更靠近EF,使正向偏压下的电流值更大。我们的计算结果不仅成功解释了实验上所观测的现象,还为进一步提升σ-π型单分子二极管的整流性能提供了理论指导。2.电极材料对双联吡啶乙炔基十一烷烃硫醇分子整流性能的影响基于σ-π型分子,如何设计出整流性能更高的分子二极管是科研人员深感兴趣的课题。根据σ-π型分子共轭端基和电极材料对这类单分子二极管的电输运性质的影响,为了增加EF附近电子隧穿轨道的数目,我们设计了新的σ-π分子—双联吡啶乙炔基十一烷烃硫醇分子(SC11BIPY-C≡C-BIPY)。利用基于第一性原理的非平衡格林函数方法,讨论了电极材料（Ag电极或Pt电极）对SC11BIPY-C≡C-BIPY分子二极管整流性能的影响。计算结果表明,当电极材料为Pt电极时,SC11BIPY-C≡C-BIPY分子二极管的整流比能达到8.6×10～6。我们的工作通过设计σ-π型分子共轭端基以及优化电极材料,进一步证实了EF附近电子隧穿轨道的数目及其位置对这类分子二极管整流性能的影响,为σ-π型单分子二极管整流性能的调控提供了理论依据。本论文共由以下五章内容组成:第一章为综述部分,主要介绍了分子电子学的背景、分子整流器以及σ-π型分子整流器件的研究进展。第二章介绍了用于多电子体系电子结构的计算的理论方法—密度泛函理论（Density Functional Theory,DFT）,以及分子器件电荷输运所用到的非平衡格林函数方法（Nonequilibrium Green’s Function Method,NEGF）,同时还介绍了采用密度泛函理论和非平衡格林函数方法求解分子器件电荷输运的自洽迭代过程。第三章和第四章介绍了利用上述理论方法所开展的具体工作以及对结果的讨论。第三章分别研究了共轭端基（Fc基团或Fc-C≡C-Fc基团）以及电极材料（Ag电极或Pt电极）对σ-π型分子整流性能的影响。第四章研究了电极材料对双联吡啶乙炔基十一烷烃硫醇分子整流性能的影响。第五章对本文工作做了全面的总结以及对分子整流器件的发展进行了

关键词：分子二极管 σ-π型分子密度泛函理论非平衡格林函数方法

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吸附对分子器件自旋输运性质影响的理论研究

吸附对分子器件自旋输运性质影响的理论研究

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作者：唐菲山东师范大学

学位级别：硕士

为了适应半导体芯片电子元件尺寸不断减小的变化趋势,在纳米尺度上以分子为单元构筑分子电子器件的器件小型化策略被提出。在对功能性分子器件的研究过程中,人们发现以电子的自旋为信息载体,可以设计出分子自旋电子器件,这类分子器件在... 详细信息

为了适应半导体芯片电子元件尺寸不断减小的变化趋势,在纳米尺度上以分子为单元构筑分子电子器件的器件小型化策略被提出。在对功能性分子器件的研究过程中,人们发现以电子的自旋为信息载体,可以设计出分子自旋电子器件,这类分子器件在信息处理、数据存储、信号传输和能量消耗等方面具有进一步的优越性能。到目前为止,多种多样的功能性分子自旋电子器件在理论和实验上被设计、制备并研究。研究表明,分子器件可以通过某种方式进行调控进而实现某种特定的功能。一般来说,分子器件可以通过磁场、电场、应变等各种外界因素影响器件的电子结构、磁性以及输运性质等。此外,一些实验和理论研究表明,利用吸附也可以有效地改变器件的电子结构和磁性从而使器件具有特定的功能。例如,通过吸附可以得到具有气体识别、传感功能的分子自旋传感器和自旋过滤效应的自旋过滤器。吸附的类别主要包括物理吸附和化学吸附,是一种选择性多样、易操作的调控方式。本论文利用基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法研究了原子或分子化学吸附对分子器件的电子结构、磁性以及自旋输运性质的影响,进而在分子水平上设计了高性能的气体传感器及自旋过滤器。本论文的主要研究内容与结果如下。1.氟原子吸附对氮化硼纳米管电输运性质的影响探索并调控低维材料的磁性有利于纳米尺度自旋电子器件的设计。实验和理论工作表明,氟化可以有效调控纳米体系的电子结构和磁性。在本工作中,研究了单氟原子和双氟原子化学吸附对氮化硼纳米管电子结构、磁性及自旋输运性质的影响。计算表明,在单氟原子吸附后,单氟吸附氮化硼纳米管（Single Fluorinated Boron nitride nanotube,SF-BNNT）具有铁磁性和半金属性质。对于双氟原子吸附时,双氟吸附氮化硼纳米管（Double Fluorinated Boron nitride nanotube,DF-BNNT）的六种吸附构型均表现为铁磁性。但是,DF-BNNT的电子结构与氟原子吸附构型密切相关,DF-BNNT可以是半导体、半金属甚至导体。基于SF-BNNT或DF-BNNT构建的双电极器件的自旋电流-电压曲线表明,某些器件表现出较高的自旋过滤效率。相关结果可以用氟原子吸附对BNNT能带的改变以及两电极能带在偏压下的交叠变化解释。2.氧气吸附对过渡金属轮烯配合物自旋输运性质的影响在单分子自旋器件中,器件中心分子容易与周围的气体分子由于吸附而发生相互作用,进而影响器件的自旋输运特性。在本工作中,以过渡金属-二苯并四氮杂[14]轮烯配合物(Transition Metal Dibenzotetraaza[14]annulene,简称TM（DBTAA）,TM=Co、Cu、Ni)为中心分子单壁碳纳米管为电极构建了分子器件,研究了O2吸附对该种器件自旋输运性质的影响。计算结果表明,Co（DBTAA）吸附O2后器件允许通过的自旋取向发生改变,Cu（DBTAA）吸附后器件的自旋过滤效率（Spin Filtering Efficiency,SFE）得到提高,Ni（DBTAA）吸附后器件从自旋简并变为自旋极化且自旋过滤效率高达90%。通过进一步分析表明,基态为自旋三重态的O2吸附后,器件自旋向下的电子向O2中发生转移,导致器件自旋向上和自旋向下电子数目发生变化,进而改变了器件的自旋输运特性。论文内容分为五个章节:第一章对分子自旋电子学的发展进行了综述,并对部分功能性分子自旋电子器件进行了简要介绍;第二章简述了计算分子器件体系电荷输运性质的理论方法;第三章研究了单/双氟原子吸附对氮化硼纳米管电输运性质的影响,设计了具有高自旋过滤效率的分子自旋电子器件;第四章研究了氧气吸附对过渡金属轮烯配合物自旋电输运性质的影响,发现氧气吸附可以有效调控器件的自旋过滤效率;第五章对所做工作及其创新点进行了总结,并对所做工作做出了展望。

关键词：分子器件原子/分子吸附自旋过滤效应密度泛函理论非平衡格林函数方法

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