检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：徐玉庆山东大学

学位级别：博士

信息技术(information technology, IT)的发展使得人们对计算机的存储能力和运算速度的要求不断提高。在过去的十几年中,计算机微处理器的尺寸经历了非常惊人的小型化过程。例如,在当今硅基材料集成电路中具有关键地位的晶体管,目前已... 详细信息

信息技术(information technology, IT)的发展使得人们对计算机的存储能力和运算速度的要求不断提高。在过去的十几年中,计算机微处理器的尺寸经历了非常惊人的小型化过程。例如,在当今硅基材料集成电路中具有关键地位的晶体管,目前已有文献报道其最小尺寸已降至22nm。根据著名的摩尔定律(Moore's Law)的预测,到2015年左右,晶体管尺寸将进一步缩小,其厚度仅为1-2nm,这已经进入原子或者分子尺度范围。因此,众所周知,二十一世纪科学研究的主题之一即为将传统的硅基半导体材料电子学元件的尺寸降低至纳米量级。而在此尺寸范围内,许多经典的技术和理论将受到极大的限制,而量子效应的影响显得尤为重要。因此,一直以来,人们都在寻找设计和制备尺寸足够小的电子学器件的新方法,分子电子学正是其中之一。纵观人类文明的发展史,无论是从蒸汽时代到电气时代的变革,还是从真空电子学到微电子学的变革,每一次科学技术的变革都会给人类社会的进步和人民生活质量的提高做出巨大的贡献。如今,从微电子学到纳电子学或者分子电子学也是一次变革,并且由于原子和分子是构成物质的最小单元,因此显然这次变革的可能意义更为重大,影响更为深远。在硅基材料电子学器件小型化面临如此多困难的前提下,1959年12月,美国著名物理学家理查德·费曼(Richard P. Feynman)在美国物理学会(the American Physical Society, APS)年会上发表了著名的演讲"Plenty of Room at the Bottom",提出了在原子或者分子水平上构建电子学器件,进而组装集成电路。这一想法也指明了分子电子学的研究内容是分子水平的功能材料及相关器件中的物理现象和物理机理,其研究目标是利用单个分子,尤其是有机小分子,通过“裁剪”来构建信息技术所需要的电子器件以代替硅基材料电子学元件,进而将其组装在一起以实现一定的逻辑功能,乃至组装出完整的分子机器。与传统的硅基半导体器件相比较,应用有机单分子作为电子学器件的基本单元具有很多的优势,例如：(i)有机分子的尺寸很小,其长度大约在1-10nm量级,因此可以大大减小器件的尺寸,提高电路的集成度,导致运算速度的提高；(ii)可以利用分子间的相互作用,即“分子识别”,来改变分子的电学性质,实现分子传感器或者分子开关功能；(iii)可以根据分子成分或者几何结构的变化来调节分子的电荷输运性质；(iv)生产成本较低,并且可以大量生产出完全相同的分子器件结构。 1974年,Ratner和Aviram首次提出了分子电子学器件的设计构想：将包含给体和受体的组合分子体系连接在两端金属电极之间,当施加一定的偏压时,其电流-电压特性曲线上将出现明显的不对称现象。这类分子称为分子整流器,是最早利用有机单分子实现电子学器件功能的设想。然而,由于当时实验技术手段的限制,没有相应的实验验证,因此Aviram-Ratner的设想并没有引起人们足够的重视。后来,随着实验技术手段的进步,分子电子学引起了人们越来越大的研究兴趣,多种制备方法得以发展和应用。例如：(i)力学可控劈裂结方法(mechanically controllable break junction, MCBJ)。它是将一根带有凹口的金属线固定在基底上,通过压电传动器精确地控制基底的弯曲,使得金属线被拉伸而在凹口处断裂,从而形成分子尺寸的电极间隙。然后有两种方法可以将有机分子组装到电极间隙之间：一种方法是电极间隙制备的同时在电极表面上放一滴目标分子的溶液,待其挥发干后制成；另一种方法是电极间隙制备完成后,将其置于目标分子气体中,分子将自组装到电极间隙之间。(ii)扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)提拉法。这是目前制备分子器件最可靠、最灵活的方法之一。典型的实验方法是将STM的探头在含有目标分子溶液的金属表面重复做伸缩运动,改变探头与金属表面的接触距离,并施加一定的偏压来测量记录电导值的变化情况。(iii)自校准模板法。这是目前最新的制备分子器件的巧妙方法。其基本思想是利用自校准的刻蚀过程来得到分子尺寸的电极间隙。(iv)此外,还有其他许多方法也被广泛应用于分子器件的制备中,如：电迁移法、纳米粒子-分子法、斜角蒸镀法,等等。所有这些实验方法使得人们能够制备出各种分子器件结构,并且能够对其电荷输运性质进行测量。另一方面,分子电子学实验技术手段的发展导致理论研究方面面临着众多的挑战,需要进一步改进理论研究工具来更加精确地描述分子器件中的电荷输运行为。目前来说,密度泛函理论(density functional theory, DFT)结合非平衡格林函数(non-equilibrium Gree

关键词：有机分子器件电荷输运场效应密度泛函理论非平衡格林函数方法

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锚原子对碳原子链电子输运性质的影响

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山西大同大学学报（自然科学版） 2013年第4期29卷 17-21页

作者：王丽华孙彦丁秉钧山西大同大学物理与电子科学学院山西大同037009 西安交通大学理学院陕西西安710049

模拟了两侧包附苯环的碳原子链通过二硫代羧基和硫醇基与金电极(111)面连接组成的分子结的电子输运特性。计算结果表明,锚基团的调制可以改变整个分子器件的电子输运性质。在苯环两侧的锚基团都是二硫代羧基的情况下,在体系电流-电压曲... 详细信息

模拟了两侧包附苯环的碳原子链通过二硫代羧基和硫醇基与金电极(111)面连接组成的分子结的电子输运特性。计算结果表明,锚基团的调制可以改变整个分子器件的电子输运性质。在苯环两侧的锚基团都是二硫代羧基的情况下,在体系电流-电压曲线上发现了新奇的负微分电阻现象;当苯环两侧的锚基团分别为二硫代羧基和硫醇基时,整个体系表现出明显的分子整流效应。

关键词：密度泛函理论非平衡格林函数方法负微分电阻分子整流

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正三角锯齿型石墨烯的电子输运特性

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物理化学学报 2012年第7期28卷 1701-1706页

作者：张俊俊张振华郭超李杰邓小清长沙理工大学物理与电子科学学院长沙410114

利用密度泛函理论和非平衡格林函数方法,系统研究了正三角锯齿型石墨烯的电子输运特性.研究表明:正三角石墨烯的电流-电压(I-V)特性及整流效应与几何尺寸、边缘吸附原子的类型密切相关,在其边缘吸附H原子和S原子的情况下,小的正三角石... 详细信息

利用密度泛函理论和非平衡格林函数方法,系统研究了正三角锯齿型石墨烯的电子输运特性.研究表明:正三角石墨烯的电流-电压(I-V)特性及整流效应与几何尺寸、边缘吸附原子的类型密切相关,在其边缘吸附H原子和S原子的情况下,小的正三角石墨烯有大的电流,但有小的整流比;改变边缘吸附原子的类型(用O原子替换H原子),电流增大,但其整流效应明显变低.分析表明,这种整流是由于正三角石墨烯前线轨道的空间分布不对称以及在正、负偏压下分子能级的非对称移动所致.我们的研究对于认识正三角石墨烯的基本物性(电子结构及器件应用)有重要意义.

关键词：正三角石墨烯整流效应电子输运特性密度泛函理论非平衡格林函数方法

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低维纳米结构的热输运性质研究

低维纳米结构的热输运性质研究

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作者：欧阳滔湘潭大学

学位级别：博士

低维纳米结构中的热输运是一个极具理论意义和有着广泛应用价值的前沿课题。这方面的研究能帮助我们解决目前困扰集成电路发展的的散热问题、指导和发现更为高效的隔热材料、制备和合成高性能的热电材料进而缓解日益严重的能源问题、设... 详细信息

低维纳米结构中的热输运是一个极具理论意义和有着广泛应用价值的前沿课题。这方面的研究能帮助我们解决目前困扰集成电路发展的的散热问题、指导和发现更为高效的隔热材料、制备和合成高性能的热电材料进而缓解日益严重的能源问题、设计和构造对热量输运调控更具优越性的热控制器件。本文采用非平衡格林函数方法，对几种典型低维纳米结构中的量子热输运性质进行了系统的研究。为这些纳米结构的应用和物性调控提供了有益的理论指导和依据。本文主要内容如下： 1、我们研究了锯齿型同位素超晶格石墨纳米带(IS-ZGNRs)中的热输运性质。结果发现通过同位素超晶格调制，锯齿型石墨纳米带的热导可以得到极大的降低。IS-ZGNRs的热导强烈依赖于超晶格的长度和同位素的质量差。随着超晶格长度的减小，热导会经历了一个先减小后增大的转变。这一奇特的现象可以通过分析声子透射系数获得解释。而同位素质量对于热导的影响却是单调的。较大的质量差会导致较小的热导。此外，我们还讨论了结构尺寸对热导的影响。 2、石墨纳米结是构造未来纳米器件及纳米回路的重要组成部分。采用非平衡格林函数方法，我们探索了三终端石墨纳米结的的声子学性质。结果显示热流在非对称三终端石墨纳米结中更倾向于沿着从窄到宽的方向流动，展现了显著的弹道热整流效应。其整流效率强烈地依赖于石墨纳米结的非对称性，并且会随着左右热极宽度差的增加而快速地增加。同时，热极间夹角的形状也对热整流效应起了非常重要作用。通过定性的分析，我们解释了非对称石墨纳米结中的热整流机制。 3、基于折叠石墨纳米带，我们提出了一种具有类似于电子电路中变阻器功能的热导控制器。这种基本的热元器件可以通过改变折叠石墨纳米带的几何结构来连续、可逆地调节热导，其调节范围可以高达平整石墨纳米带热导(nm宽75nm长)的40%左右。在这种结构调制下，热导线性依赖于折叠角度，并且会随着层间距的变化呈现了一个转变行为。该热器件能在声子回路及纳米尺度的热控制中发挥极其重要的作用。 4、前面的研究主要关注了石墨烯体系的热输运性质。采用非平衡格林函数方法，我们还研究了六角氮化硼纳米带(BNNRs)的热输运性质。通过计算它的声子谱和热导，我们发现BNNRs同样拥有出色的热输运性质。其热导可以与石墨纳米带的热导相比拟，在室温下前者甚至还能优于后者。我们还拟合了用以描述BNNRs热导特征的公式，揭示了温度的1.5次方关系在BNNRs热输运中起的关键作用。此外，显著的热各向异性也在BNNRs中被观察到。室温下，锯齿型BNNRs的热导要比扶手椅型纳米带的热导高出20%左右。 5、石墨炔，一种新型的碳同素异形体，也是现今纳米结构研究领域的热点之一。我们对它的热输运性质进行了探索。结果发现石墨炔的热输运性质只有石墨烯的40%左右。扶手椅型石墨炔纳米带(A-GYNRs)热导呈现线性宽度依赖关系，而锯齿型石墨炔纳米带(Z-GYNRs)热导则表现了一个阶梯状的宽度依赖关系。同时，A-GYNRs的热输运性质要优于Z-GYNRs，展现出明显的各向异性热传导性质(两倍高于石墨烯)。通过分析石墨炔纳米带的声子色散关系，我们解释了石墨炔中的热各向异性。此外，我们还对石墨炔家族的热输运性质进行了计算。研究表明，石墨炔家族的热导与炔链的数目无关而是依赖于苯环的数目。

关键词：低维纳米结构热输运性质声子非平衡格林函数方法

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氮化硼—石墨烯复合纳米体系的电子结构与输运性质研究

氮化硼—石墨烯复合纳米体系的电子结构与输运性质研究

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作者：肖化平湘潭大学

学位级别：博士

随着石墨烯、石墨烯纳米带、碳纳米管、单原子层六角氮化硼薄膜、六角氮化硼纳米带、六角氮化硼纳米管的成功制备，这些低维纳米材料在微纳电子器件领域展现出巨大的潜在应用前景，基于碳(C)及氮化硼(BN)的纳米材料很快成为凝聚态物理... 详细信息

随着石墨烯、石墨烯纳米带、碳纳米管、单原子层六角氮化硼薄膜、六角氮化硼纳米带、六角氮化硼纳米管的成功制备，这些低维纳米材料在微纳电子器件领域展现出巨大的潜在应用前景，基于碳(C)及氮化硼(BN)的纳米材料很快成为凝聚态物理的研究热点，随着研究的深入，基于BNC的复合纳米结构由于具有独特的结构、丰富的物理化学性质、自旋极化特性及其电子结构和输运性质的可控调制特征，也很快引起了人们的关注。本文针对几种典型的BNC复合纳米材料的结构特征、电子结构及其输运性质进行了系统的研究，得到了如下主要研究成果： 1.基于密度泛函理论的第一性原理方法，研究了尺寸效应对锯齿型BNC复合纳米带中半金属特性的制约机制。结果表明，所有的两片段BNC复合纳米带都具有反铁磁的基态，当纳米带中的固定ZGNR片段包含9条锯齿型碳链时，其电子性质基本上不受ZBNNR片段宽度变化的影响。对于具有固定的9条锯齿型BN链的纳米带，其电子结构随着ZGNR片段的增加而出现从半导体-半金属-金属的转变，转变尺寸依赖于复合界面的类型。 2.基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法，系统研究了两片段的复合纳米管BNCNTs以及四片段复合纳米管BNCBNCNTs和BNCNBCNTs (=3,4,5)的结构稳定性、电子结构及电子输运性质特征。结果表明，两片段复合纳米管BNCNTs属于带隙依赖于组分的窄带隙半导体;所有四片段的BNCBNCNTs都属于半导体，带隙随着直径的增长而下降，而所有四片段的BNCNBCNTs都属于金属。进一步的传输性质研究表明，两片段的复合管型并不能带来电子输运上的增益，而四片段的复合管型则在费米能级附近带来很好的增益。金属型的BNCNBCNT比半导体型的BNCBNCNT增益更明显，在其费米能级出现高达6G的传输平台。 3.基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法，系统研究了由单壁碳纳米管和单壁氮化硼纳米管构成的异质结构(BN/C)中的电子输运性质和可调制微分电阻效应。以(5,5)型碳纳米管和氮化硼纳米管为基础构建模型，结果表明，BN/C纳米管异质结的传输电导和微分电导将随着氮化硼管比例的增加而逐渐下降。 4.基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法，研究了将石墨烯纳米带中碳原子链替换为B(N)原子链构成的复合石墨烯纳米带中的电子输运性质。结果显示扶手型的复合纳米带从半导体转变为金属，而锯齿型的复合纳米带的电子输运性质得到了极大的提高，其费米能附近的电子传输电导增加到6G(5G)。 5.基于安德森紧束缚模型，研究了无序双层六角氮化硼量子薄膜的电子性质。数值计算结果表明在双层都无序掺杂的情况下，六角氮化硼量子薄膜的电子是局域的，其表现为绝缘体性质;而对于单层掺杂(无论是氮原子还是硼原子)的双层六角氮化硼量子薄膜，在能谱的带尾出现了持续的迁移率边，这说明在单层掺杂的双层六角氮化硼量子薄膜中产生了金属绝缘体转变。

关键词：氮化硼-石墨烯复合纳米体系电子结构与输运性质密度泛函理论非平衡格林函数方法

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石墨烯介观纳米结构量子输运与调控研究

石墨烯介观纳米结构量子输运与调控研究

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作者：谌雄文湖南师范大学

学位级别：博士

近年来,随着纳米技术的发展和新材料的不断开发,各种介观纳米结构不断地被成功制备,如量子点和量子线、石墨烯及其纳米条带等.它们在国防及民生的各个领域中有着广泛的应用前景,这使得介观纳米体系的量子输运研究迅速成为凝聚态物理前... 详细信息

近年来,随着纳米技术的发展和新材料的不断开发,各种介观纳米结构不断地被成功制备,如量子点和量子线、石墨烯及其纳米条带等.它们在国防及民生的各个领域中有着广泛的应用前景,这使得介观纳米体系的量子输运研究迅速成为凝聚态物理前沿的热点之一.本文主要对基于石墨烯的介观纳米混杂耦合体系的电子输运性质及其调控进行了研究,旨在为介观器件的制作及纳米量子电路超大规模集成提供一些有价值的理论支持和参考. 全文共分为六章：第一章为绪论,主要对本文涉及的几种介观纳米结构的制备、基本性质及其输运研究背景、我们的研究内容与方法进行简单介绍. 第二章,我们理论计算了扶手椅边缘石墨烯纳米条带各格点附近的局域电子态,并利用一维半无限长量子线模拟扫描隧道显微镜(STM)探针对其进行STM隧穿电流探测.结果表明：半导体型石墨烯纳米条带中,所有格点附近都分布着具有半导体性质的电子态.而金属型石墨烯纳米条带中,除了在其第3j-1和3j-2(j为正整数,第1条链对应条带的边界)碳链的格点附近分布着具有金属性质的电子态外,在其第3j链的格点附近居然还分布着具有半导体性质的电子态.因此,在金属型纳米条带中,紧邻的3j-1和3j-2链上的格点相互连通构成了低能电子的平面传输通道,3j半导体性质的链在每两条通道之间间隔存在保证了它们的低能导通独立性.这些电子态的分布可以通过STM隧穿电流来探测：当STM探针靠近具有半导体性质电子态的格点,STM隧穿电流出现了明显的零数值平台,其阈值电压Vc由条带宽度N决定;当STM探针靠近具有金属性质电子态的格点,零电流平台消失.对于非常宽的扶手椅边缘纳米条带,即石墨烯片,半导体电子态和半金属电子态也共存于其宽度大约为7nm的边界区域里.让人意外的是,石墨烯片所有格点的STM隧穿电流总存在零数值平台,而且,阈值电压Vc随着STM探针从其边界往中心稍描而逐渐减小,直至稳定于一个不为零的小偏压值为止.另外,我们还发现扶手椅边缘石墨烯纳米条带的伏安特性曲线是折直线型,这与石墨烯片的光滑弯曲伏安特性线型有显著差别.依据以上性质,我们相信利用STM技术可以鉴别扶手椅石墨烯样本的导电性质和宽度. 第三章,我们理论计算了锯齿边缘石墨烯纳米条带各格点附近的局域电子态,并利用一维半无限长量子线模拟STM探针对其进行STM隧穿电流探测.结果表明：处在费米能级附近的电子不仅被强烈地局域在锯齿边缘石墨烯纳米条带的边界格点附近,它们还被局域在靠近边界的第2j-1(j为正整数,第1条链对应条带的边界)链的格点附近,且越靠近边界,其局域性越明显.与其形成鲜明反差的是,靠近边界第2j链上的格点对这些电子几乎没有局域能力.这些性质可以通过STM隧穿电流探测到：当STM探针靠近第2j-1链上的格点时,STM隧穿电流上出现了近似零数值平台,且越靠近边界,其阈值电压Vc越大.有趣的是,当STM探针靠近第2j链上的格点时,STM隧穿电流却能在很低偏压下飙升至很大值,越靠近边界,电流飙升现象也越明显.于是,我们推断靠近锯齿边缘石墨烯纳米条带边界的偶数链是电子的良好平面传输通道.结合第二章,我们发现扶手椅边缘石墨烯纳米条带和锯齿边缘石墨烯纳米条带的STM隧穿电流特征有显著的不同.因此我们相信利用STM技术可以鉴别它们. 第四章,我们研究了石墨烯对强关联量子点(Quntum Dot)嵌入双正常金属电极(ReservoirS)(简称QDR)体系电子输运性质的调控.结果表明：当石墨烯的Dirac能级处在QDR体系的费米能级(εF=0)上时,随着石墨烯的靠近, QDR体系的量子点与电极之间的Kondo关联增加,导致能借助于Kondo效应隧穿QDR体系的电子所占能谱变宽.这就使得在实验中高偏压下观测QDR体系的Kondo效应成为可能.而且,调节加在石墨烯上面的门电压,使石墨烯的Dirac能级背离QDR体系的εF,石墨烯处于QDR体系εF上的电子态增强了对量子点的Kondo屏蔽,从而削弱甚至完全压制QDR体系的Kondo传输.此时,石墨烯-QDR体系表现出明显的场效应管行为,石墨烯对QDR体系的电流具有良好的调控能力. 第五章,我们研究了小尺寸介观Aharonov-Bhom(AB)环对强关联量子点嵌入双正常金属电极(QDR)体系电子输运性质的调控.结果表明：介观AB环犹如一个多能级的分子旁耦合于QDR体系的量子点,为电子从源电极隧穿量子点到达漏电极提供了多条可用磁通Φ选择的折回路径,从而导致多能级Fano效应的产生.有趣的是,在偶宇称环体系中,介观AB环分子总有一个能级位于QDR体系的费米能级(εF=0)上.调节φ,可以选择其对QDR体系中的电子是否导通.当其导通,环-QDR体系在εF处的Fano效应完全压制QDR体系的Kondo效应,导致QDR体系的Kondo通道对电子输运完全关闭,反之,Kon

关键词：石墨烯及纳米条带量子点/线量子输运与调控紧束缚近似方法非平衡格林函数方法隶玻色子平均场理论

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新型功能分子器件中的电子输运机理与计算设计

新型功能分子器件中的电子输运机理与计算设计

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作者：何军湖南大学

学位级别：博士

近年来,电子器件的不断微型化激起了人们对分子器件的研究兴趣。同时,碳基分子器件也被人们认为是当今硅基半导体器件最为理想的替代者。本文针对具有重要理论意义和广泛应用前景的碳基分子器件,将基于第一性原理的电子结构理论与基于... 详细信息

近年来,电子器件的不断微型化激起了人们对分子器件的研究兴趣。同时,碳基分子器件也被人们认为是当今硅基半导体器件最为理想的替代者。本文针对具有重要理论意义和广泛应用前景的碳基分子器件,将基于第一性原理的电子结构理论与基于非平衡格林函数的输运理论相结合,系统研究了功能分子器件中的电子输运机理。并且着重研究了分子裁剪、掺杂、分子材料的杂化连接、分子间的π—π弱相互作用等物理化学方法对分子器件性能的调控。同时,我们也探究了外界环境因素湿度对碳基分子器件电子输运性质的影响。具体研究内容如下：通过运用分子裁剪的方法,我们设计了一个基于扶手椅型石墨烯纳米带的自旋电子器件。我们研究了该分子器件的自旋输运机理及性能调控。计算研究结果表明,该分子器件同时具有整流和完美自旋滤波的特性,且其整流性能可以通过边界硼氮掺杂而得到有效调控。这些结果为在单个分子上实现多功能集成提供了新思路。系统研究了由锯齿型硼氮纳米带(zigzag boron nitride nanoribbon, ZBNNR)与锯齿型石墨纳米带(zigzag graphene nanoribbon, ZGNR)组成的杂化体系的电子结构及电子输运行为。计算研究结果表明,ZGNR的宽度对杂化体系的能带结构有非常明显的调控效应,能使杂化体系的能带结构呈现出多样化的转变,特别是能观察到半半金属(half-semimetal)的特性。相反,ZBNNR的宽度对杂化体系能带结构的调控效应并不明显。进一步研究发现,能带结构中所呈现出这些特性根源于杂化结构中的电荷分布与电荷转移。更有意思的是,在由这种杂化纳米带构成的新型分子器件中,我们观察到了电流的自旋极化行为及负微分电阻(negative differential resistance,NDR)效应。这些结果将在实现带隙调控、设计分子自旋阀、分子电控开关等分子器件提供了新的思路。研究了单壁碳纳米管中螺旋形石墨纳米带(spiral graphene nanoribbon,SGNR)的自旋输运行为。计算研究结果表明,当SGNR带具有锯齿型边界时,在器件中我们可以观察到自旋极化的电流；而当SGNR具有扶手椅型边界时,自旋极化电流完全消失。通过详细的分析讨论,我们发现在具有锯齿型边界的SGNR中形成了环形电流,而电子在器件中的自旋极化输运行为正是根源于环形电流所产生的磁矩的作用。然而,在具有扶手椅型边界的SGNR中没有形成环形电流和磁矩,所以自旋极化电流完全消失。更有意思的是,通过改变具有扶手椅型边界的SGNR的宽度,可以使分子器件实现从金属性到半导体性的转变。这些结果在分子器件的设计中有着重要的应用前景。研究了具有不同分子间相互作用的C60分子器件的电子输运行为。计算研究结果表明,分子器件的电子输运性质将随着分子间相互作用类型的不同而发生改变。在分子间弱相互作用的体系下我们观察到了基于NDR效应的快速响应开关行为；而在强相互作用体系下,我们观察到的是电流随偏压增加而逐渐减小的NDR行为。进一步研究发现,快速响应的NDR行为根源于由弱π—π分子间相互作用引起的电子共振遂穿机制。这在制作快速响应分子器件方面有着重要的应用。初步探究了湿度效应对C60分子器件电子输运性质的影响。研究结果表明湿度对纳米电子器件的输运性质及稳定性都有很大的影响。进一步研究发现,输运性质的不稳定性主要根源于H2O分子与碳纳米管电极之间形成的局域势垒。这一结果有助我们理解当前实验研究与理论研究之间存在的较大差异。同时也告诉我们,湿度是影响分子器件电子输运性质及器件稳定性的一个非常重要的外界因素,因此在我们今后的研究工作中不能轻易被忽略。

关键词：第一性原理密度泛函理论非平衡格林函数方法新型功能分子器件电子传输机理器件性能调控

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杂质、缺陷及边缘修饰对锯齿型石墨烯纳米带输运性质的影响

杂质、缺陷及边缘修饰对锯齿型石墨烯纳米带输运性质的影响

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作者：曹粲中南大学

学位级别：博士

石墨烯纳米带因其特殊的几何结构和优越的电学性质,在纳米电子学领域具有极大的潜在应用价值,因而受到了越来越多研究者们的关注。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理和非平衡格林函数方法,对掺杂、缺陷以及边缘修饰的锯齿型石墨烯... 详细信息

石墨烯纳米带因其特殊的几何结构和优越的电学性质,在纳米电子学领域具有极大的潜在应用价值,因而受到了越来越多研究者们的关注。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理和非平衡格林函数方法,对掺杂、缺陷以及边缘修饰的锯齿型石墨烯纳米带的电子结构及电荷输运性质进行了理论计算。主要研究内容如下： (1)研究了空位缺陷以及缺陷边缘掺杂对锯齿型石墨烯纳米带的电子结构和输运性质的影响。研究结果表明,具有空位缺陷和硼氮对掺杂的石墨烯纳米带显示为金属性,通过改变杂质类型可调控具有空位缺陷的石墨烯纳米带的输运性质。在低偏压作用下,具有空位缺陷和缺陷边缘掺杂的石墨烯纳米带的电流明显减少,导致了负微分电阻现象的出现,而分子前线轨道与电极间的耦合效应是出现负微分电阻的主要原因。 (2)研究了在不同自旋构型下,具有不同对称性的锯齿型石墨烯纳米带带边的氢化效应对电子输运性质的影响。研究发现,对于其中一边被单氢饱和,另一边被双氢化的体系,由于边缘的碳原子形成sp3杂化,对称和非对称的体系在铁磁构型下都具有自旋二极管效应；而在反铁磁构型下对称性体系具有自旋过滤效应,这是由于边缘缺陷导致的磁对称性破缺所引起的。另外,我们还研究了两端非对称氢化的石墨烯纳米带异构结的电子输运性质,发现了十分明显的单向导电性。(3)研究了边缘被Fe,Co,Ni三种过渡金属原子链取代的锯齿型石墨烯纳米带的输运性质。研究结果表明,体系的输运性质依赖于锯齿型石墨烯纳米带边缘的替代原子类型。过渡金属原子取代使体系电流明显减小,且Fe原子取代的体系出现明显的自旋过滤现象,Ni原子取代体系出现明显的负微分电阻效应,这些现象与电子在边缘态发生的共振反射相关,决定于边缘处磁性原子的电子特征。(4)研究了由两种不同电学性质的石墨烯纳米带拼接成的异质结的自旋输运性质。首先,研究了边缘分别被硼原子和氮原子掺杂的锯齿型石墨烯纳米带异质结。研究发现,边缘的不对称性掺杂引起了自旋极化效应,使自旋电流发生分裂；而对称性掺杂的异质结在反铁磁构型下出现了明显的单向导电性,显示出P-N结效应。其次,研究了六方氮化硼纳米带与石墨烯纳米带相拼接的异质结电子输运性质。研究结果表明,在反铁磁构型下异质结呈现出半导体特性,且在正偏压作用下体系具有自旋过滤效应。同时,我们还发现了明显的整流效应和巨磁阻效应。这些研究将为设计实际的纳米电子器件以及自旋电子器件提供了理论支持及思路。

关键词：锯齿型石墨烯纳米带第一性原理非平衡格林函数方法输运性质异质结

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碳基纳米材料及异质结电子输运性质研究

碳基纳米材料及异质结电子输运性质研究

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作者：武国勋哈尔滨工业大学

学位级别：博士

随着当今电子科技的发展,要求对未来电学器件的尺寸越来越小,当其接近原子或分子尺度时,具有纳米量级的电学器件便出现了。1985年,英国科学家 Kroto与美国科学家 Smalley发现了石墨与金刚石以外的第三种形式——C60,一种由12个五边形和2... 详细信息

随着当今电子科技的发展,要求对未来电学器件的尺寸越来越小,当其接近原子或分子尺度时,具有纳米量级的电学器件便出现了。1985年,英国科学家 Kroto与美国科学家 Smalley发现了石墨与金刚石以外的第三种形式——C60,一种由12个五边形和20个六边形的二十面体空心球结构,于是揭开了关于碳基纳米材料研究的序幕。在之后的几十年中,不同结构的碳基纳米材料每一次的发现,都引起了纳米科学界的广泛关注,关于碳纳米管、石墨烯、石墨纳米带以及最近出现的石墨炔的实验与理论方面的研究,均为以上纳米材料在纳米器件的设计与应用方面提供了支持。经过研究,发现多种碳基纳米材料不但具备极强的力学性能,同时具有极为优异与独特的电学性质,其由于不同的手性与结构引起的电子输运性能的不同更加成为人们关注的焦点。也正由于此种特性,令碳基纳米材料应用于电学器件设计时,具备可以拥有极其新奇的电学性能的可能。然而,当其应用在纳米电子器件设计时,难以避免地会遇到与传统的金属晶体或者纳米材料相接触的情况。于是,关于纳米材料所形成异质结的相关问题则成为研究的重点与难点所在。\n 本文就是针对碳基纳米材料与其构成的异质结对其本身电学性质的影响,给予了系统性的研究。应用第一性原理结合非平衡格林函数方法,对各种纳米材料与异质结的结构进行了原子弛豫计算与电子输运性质计算,从而得到了关于异质结结构、材料、尺度等因素对其电学性质与电子结构的影响,并对其影响机理进行了初步的分析与解释。具体内容如下:\n 首先,对于碳基纳米材料的基元,包括碳纳米管、石墨烯、石墨纳米带等材料的模型构造进行了第一性原理计算,对其不同手性或方向上的纳米材料进行非平衡格林函数方面的计算。发现在不同手性或不同电子输运方向上，纳米材料分别显示出金属与半导体等电学性质。\n 接下来,我们计算了关于金属-碳纳米管异质结的结构与电学性质。我们分析了不同的几何结构、碳纳米管手性与管径对其电子输运性质的影响,发现由于几何结构的不同会构成不同的异质结原子弛豫结果。然而,其电子输运性质却是相似的,异质结电学性质的改变主要决定于金属接触对碳纳米管电子结构的改变,会出现令金属碳纳米管导电率降低,而使半导体碳纳米管呈现金属特性等独特的电学性质。\n 之后,我们考虑构造了由不同手性和宽度连接起来的石墨纳米带异质结材料,对其接触界面出现的拓扑缺陷结构进行第一性原理计算。着重分析其缺陷结构与石墨纳米带宽度对异质结电学性质的影响。我们发现由于异质结的非对称结构,使得其伏安特性曲线也呈现出明显的非对称性,并且发现其具备非常优异的二极管整流特性,且其性质与拓扑缺陷结构关系紧密。石墨纳米带的宽度,主要决定了构成异质结的电导率的强弱。在分析了各种不同结构的石墨纳米带异质结,我们认为具备5-7-5拓扑缺陷结构的A9-Z4石墨纳米带具备最为优异的整流特性以及电导率强度。\n 在基于金属-碳纳米管研究的基础上，我们构造了金属-石墨纳米带异质结结构。我们运用与之前相同的方法研究异质结的电子输运性质,并讨论了其电学性质的影响机理。我们发现不同金属对石墨纳米带的电子输运性质有着不同的影响,其趋向于提高金属石墨纳米带的电导率,而使半导体石墨纳米带中的电流抑制区域消失。这均是由于金属与石墨纳米带接触时,由于金属外电子轨道与纳米带中碳原子π轨道相互叠加,从而改变了与之相近的碳原子电子结构,而随着距离金属界面的碳原子距离的增加,对其电子结构的改变却逐渐减弱,并更加接近原始的石墨纳米带电子结构。\n 最后,我们研究了最近发现的碳基纳米材料石墨炔结构与其电学性质。运用第一性原理方法构造了不同结构的四种石墨炔构型,分析其电子输运性质的不同以及石墨炔结构中碳链的长短对其电学性质的影响。发现沿不同方向的石墨炔结构具备不同的电子输运性质,这与石墨烯结构相似,然而其性质与碳原子链的长短有决定性的关系。对于石墨炔电子结构的分析,发现不仅在苯环中,在碳原子链中同样存在着π轨道结构,这就解释了其与石墨烯相似的电学性质,而碳原子链的电子输运能力要明显弱于π键的电子输运,因此使得石墨炔的电导率要弱于石墨烯,并随着碳链长度的增加,石墨炔电导率逐渐减弱。同时,我们发现石墨炔族中的电学性质呈规律性变化,其由1,3个炔链结构,和2,4个炔链结构构成的石墨炔分别具有相似的电子输运性质。而对由石墨烯与石墨炔构成的异质结电子输运性质的分析,同样发现了由于非对称性结构引起的整流特性,而在较低偏压下其伏安特性曲线却呈现较为对称的曲线结构。以上结果为石墨炔将来应用于纳米材料异质结连接材料奠定了理论基础。

关键词：碳基纳米材料异质结结构电子输运性质石墨炔第一性原理非平衡格林函数方法

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低维强关联体系噪声的研究

低维强关联体系噪声的研究

引用

作者：武艳菊北京工业大学

学位级别：硕士

随着纳米技术的发展，介观体系的研究已经成为凝聚态物理学的一个新领域，特别是低维体系的电子输运研究引起了物理学家们的兴趣，尤其噪声能够提供更多在电导测量中得不到的信息。量子线、量子点等介观体系是纳米电子器件基本的组成单... 详细信息

随着纳米技术的发展，介观体系的研究已经成为凝聚态物理学的一个新领域，特别是低维体系的电子输运研究引起了物理学家们的兴趣，尤其噪声能够提供更多在电导测量中得不到的信息。量子线、量子点等介观体系是纳米电子器件基本的组成单元，另一方面，由于量子点的参数易于调节，人们可以用量子点来研究以前难以触及的实验领域，深入理解它们的物理性质对于技术应用有着重要的意义。本论文运用非平衡格林函数方法研究了量子点体系在外界交流场驱动下的噪声和Fano因子的性质，得到了一些有意义的新结果。这些结果有助于进一步认识与理解低维体系中的电子强关联问题。　　首先，我们研究了与Luttinger液体相耦合的量子点光子辅助噪声研究。我们运用非平衡格林函数方法和运动方程方法得到了普适的光子辅助噪声公式，并详细研究了Luttinger液体导线内电子间的相互作用和交流参数对噪声的影响，发现在导线内电子弱相互作用区，光子辅助隧穿的非弹性散射能够统治电子输运机制，而在线内强电子相互作用下，噪声随偏压的变化出现幂率行为。Fano因子随交流振幅增强而增大。　　其次，我们研究了在外界交流场下近藤区的量子点体系的噪声。我们运用非平衡格林函数方法和非交叉近似方法得到了噪声公式，详细研究交流外场参数和温度对噪声和Fano因子的影响，数值结果显示在低温和低频的条件下微分噪声出现了明显的台阶，随着温度的升高，台阶的结构逐渐消失。我们也发现Fano因子随着交流频率的增大而增大。这些结果显示我们可以通过调节外界参数来提高Fano因子。

关键词：低维强关联体系噪声凝聚态物理学 Luttinger液体相耦合非平衡格林函数方法

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