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264 篇 学位论文
130 篇 期刊文献
9 篇 会议

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- 4 篇 计算机科学与技术...
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- 1 篇 管理科学与工程(可...

主题

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32 篇 量子点
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29 篇 分子器件
27 篇 石墨烯纳米带
25 篇 碳纳米管
17 篇 量子输运
16 篇 负微分电阻
16 篇 分子电子学
15 篇 密度泛函
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12 篇 电子结构
11 篇 自旋极化
11 篇 输运特性
9 篇 自旋轨道耦合
9 篇 自旋极化输运
8 篇 自旋输运

机构

36 篇 南京邮电大学
23 篇 北京大学
19 篇 湖南大学
17 篇 山东大学
17 篇 宜宾学院
13 篇 山西大学
11 篇 江南大学
9 篇 长沙理工大学
9 篇 西安电子科技大学
9 篇 湘潭大学
7 篇 黑龙江工程学院
7 篇 中国科学院研究生...
7 篇 四川大学
7 篇 西安工程大学
7 篇 南京航空航天大学
7 篇 中国科学技术大学
7 篇 湖南师范大学
6 篇 华中科技大学
6 篇 东南大学
6 篇 中南林业科技大学

作者

17 篇 柳福提
14 篇 程晓洪
10 篇 王伟
8 篇 liu futi
8 篇 wang wei
8 篇 王利光
7 篇 贺泽龙
7 篇 cheng xiaohong
6 篇 周亚鑫
6 篇 程艳
6 篇 he ze-long
6 篇 霍新霞
6 篇 陈向荣
6 篇 liu fu-ti
6 篇 cheng xiao-hong
5 篇 侯士敏
5 篇 肖广然
5 篇 刘德胜
5 篇 张淑华
5 篇 cheng yan

语言

395 篇 中文
8 篇 英文

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碳化硅纳米管气体吸附特性第一性原理研究

碳化硅纳米管气体吸附特性第一性原理研究

引用

作者：丁瑞雪西安电子科技大学

学位级别：博士

纳米管具有庞大的表面积和中空结构，提供了大量气体通道，管体内外均可吸附气体，表面活性高，在化学气体传感器方面具有独特的优势。与传统的传感器相比具有更高的灵敏度、更快的响应时间，并能有效地减小传感器的尺寸，同时以高灵敏... 详细信息

纳米管具有庞大的表面积和中空结构，提供了大量气体通道，管体内外均可吸附气体，表面活性高，在化学气体传感器方面具有独特的优势。与传统的传感器相比具有更高的灵敏度、更快的响应时间，并能有效地减小传感器的尺寸，同时以高灵敏度检测出周围环境中少量浓度（ppb级）的气体分子。碳化硅纳米管(SiCNT)为半导体，与直径和手性基本没有关系，禁带宽度大，结构稳定性好，抗氧化性强，使其在高温、强辐射等恶劣环境下应用具有潜在的优势，是气体传感器的理想材料之一。通过掺杂可以改变碳化硅纳米管的电学特性，拓宽碳化硅纳米管检测的气体范围，对碳化硅纳米管气体吸附特性的研究将为传感器的制备提供必要的理论基础。论文对碳基、氮基气体吸附后对碳化硅纳米管电学特性的影响进行了深入研究，通过分析气体吸附前后碳化硅纳米管输运特性的变化，系统地分析了碳化硅纳米管气体传感器的工作机理。主要研究内容如下： 1.碳化硅纳米管碳基气体吸附特性研究基于第一性原理的密度泛函理论模拟分析了本征及掺硼(8,0)碳化硅纳米管一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)气体的吸附特性，分析气体吸附对碳化硅纳米管电学特性的影响。CO2及CO气体与本征及掺硼碳化硅纳米管均可行成稳定的化学吸附，气体吸附后，本征及掺硼碳化硅纳米管禁带宽度减小，增强了碳化硅纳米管的导电能力，使检测电信号成为了可能。这说明，本征及掺硼碳化硅纳米管对CO2及CO气体是敏感的，具有较强的检测能力，是制备CO2及CO气体传感器的理想材料。 2.碳化硅纳米管氮基气体吸附特性研究基于第一性原理的密度泛函理论模拟分析了本征(8,0)碳化硅纳米管二氧化氮(NO2)、一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、氨气(NH3)等气体的吸附特性以及掺硼(8,0)碳化硅纳米管NO2、N2O气体的吸附特性，分析气体吸附对碳化硅纳米管电学特性的影响。NO2及N2O气体吸附后，本征及掺硼碳化硅纳米管禁带宽度减小，增强了碳化硅纳米管的导电能力，说明本征及掺硼碳化硅纳米管对NO2及N2O气体是敏感的，具有检测能力，是制备NO2及N2O气体传感器的理想材料。NO气体吸附虽然属于物理吸附范畴，但其吸附后对碳化硅纳米管的电学性能影响较大，碳化硅纳米管具备检测NO气体的能力；NH3气体吸附后对碳化硅纳米管的电学性能影响较小。 3.掺硼碳化硅纳米管输运特性研究采用结合密度泛函理论的非平衡格林函数方法系统的研究了耦合于金电极的掺硼(8,0)碳化硅纳米管的输运特性。掺硼(8,0)碳化硅纳米管平衡态透射谱中存在一个的透射谷，说明掺硼碳化硅纳米管为半导体，这和第一性原理的计算结果是一致的。非平衡态输运特性中，在正偏压范围内，I-V特性曲线可以分为三个部分：从0V到0.8V和从1.0V到2V偏置电压范围内，电流随着偏压的增加而增加；而从0.8V到1.0V偏置电压区间，我们发现了微分负阻效应，微分负阻效应是由不同偏压下，分子轨道的局域性增强，从而使电极间电子的隧穿变得困难引起的。 4.二氧化氮气体吸附碳化硅纳米管体系输运特性研究采用结合密度泛函理论的非平衡的格林函数方法系统的研究了耦合于金电极的二氧化氮气体吸附后碳化硅纳米管的输运特性，这是碳化硅纳米管气体传感器的工作基础。对比气体吸附前后的伏安特性发现，当偏置电压为1.5V时，由于气体吸附后产生新的透射峰，增大了气体吸附后的电流，吸附后的电流约为吸附前的1.5倍，这个差别已经足够进行电信号检测，这也将使碳化硅纳米管气体传感器的应用成为可能，这也是传感器工作的理论基础。本文对碳化硅纳米管碳基、氮基气体的吸附特性进行了深入研究，建立了气体吸附前后碳化硅纳米管模型，模拟分析了气体吸附对本征及掺硼碳化硅纳米管电学特性的影响，得到了碳化硅纳米管对检测气体的敏感性；通过分析气体吸附前后碳化硅纳米管输运特性的变化，系统的分析了碳化硅纳米管气体传感器的工作机理，为碳化硅纳米管气体传感器的制备和检测应用提供了必要的理论基础。

关键词：碳化硅纳米管掺硼气体吸附特性输运特性密度泛函理论非平衡格林函数

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耦合量子点体系电子输运性质理论研究

耦合量子点体系电子输运性质理论研究

引用

作者：李华哈尔滨工业大学

学位级别：博士

量子点是继超晶格和量子阱之后,于上个世纪80年代中后期和量子线同时发展起来的一种新型低维量子结构。几个量子点在空间上相互靠近并发生耦合效应就形成了耦合量子点体系。对于耦合量子点体系,无论其组成的量子点的空间对称性,还是量... 详细信息

量子点是继超晶格和量子阱之后,于上个世纪80年代中后期和量子线同时发展起来的一种新型低维量子结构。几个量子点在空间上相互靠近并发生耦合效应就形成了耦合量子点体系。对于耦合量子点体系,无论其组成的量子点的空间对称性,还是量子点的尺寸、相互之间的耦合强度都是人为可以调控的,从而实现了人们操纵固体的梦想,并因此而受到广泛的关注。本文采用非平衡格林函数方法,对几种新型的耦合量子点结构的输运性质进行了系统的理论研究,并得到了一些有意义的结果。首先,我们研究了环形量子点阵列（简称量子点环）与两个电极相耦合形成的两终端体系的输运性质。对于量子点环而言,与电极相耦合的量子点在环中占有特殊的地位。因此我们分别讨论了两个电极与环中的同一个量子点相耦合、两个电极分别与环中相邻的两个量子点相耦合以及两个电极分别与环中不相邻的两个量子点相耦合的三种结构。利用非平衡格林函数的运动方程和Dyson方程,分别在三种结构中推导了当体系包含任意个量子点时的电流递推表达式,它们均可以写成统一的类Landauer-Büttiker公式形式。在数值计算部分,作为体系的一个特例,我们首先详细的研究了由四个量子点耦合成的量子点环中的电子输运,确定了三种结构的共振隧穿谱线对单量子点能级的不同组合情况以及相邻量子点之间的耦合强度的依赖关系。随着量子点数目的增多,体系的共振隧穿谱会变得更加复杂。因此在对由n个量子点耦合成的量子点环的数值计算中,我们假定所有的量子点都是全同的,即所有的量子点都具有相同的单量子点能级εi0 =ε0,并且相邻量子点之间的耦合强度都相等,即Vi , i+1 = V0。计算结果表明,三种结构的的输运性质差别很大。对于两个电极和量子点环中的同一个量子点相耦合的结构,共振隧穿谱中的每个共振峰的峰值都相等,并且都取最大值1.0。当n为偶数时,体系共振隧穿谱关于ε0对称分布,其中的共振峰的数目等于n /2 + 1个。并且随着n /2奇偶性的变化而在ε0处表现出明显的奇偶性,即:当n /2为偶数时,在ε0处出现电子可以隧穿通过的共振峰;而n /2为奇数时,在ε0处没有共振峰出现;我们把这种奇偶性成为“半奇偶性”,这与一维量子点阵中的奇偶性正好相反。当n为奇数时,体系的共振隧穿谱没有对称性,而共振峰

关键词：耦合量子点体系电子输运非平衡格林函数

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纳米电子器件电声相互作用机理研究

纳米电子器件电声相互作用机理研究

引用

作者：李柏林湖南大学

学位级别：博士

纳米器件中的电输运相关性质决定着其在新型逻辑器件、传感器以及能量收集等方面的应用前景。准确研究其中的机理对开发和设计这些应用具有重要指导意义。然而多年来,太多的理论研究都只关注其中的与声子无关的弹性输运过程,而忽视了可... 详细信息

纳米器件中的电输运相关性质决定着其在新型逻辑器件、传感器以及能量收集等方面的应用前景。准确研究其中的机理对开发和设计这些应用具有重要指导意义。然而多年来,太多的理论研究都只关注其中的与声子无关的弹性输运过程,而忽视了可能在其中存在重大影响的非弹性输运过程。在本论文中,我们的理论研究表明,有时非弹性输运的贡献可能会很强,会严重影响器件的输运性质。从而证明这种忽略在不少体系是不可取的。具体的,我们研究了如下几个方面的问题:在考虑电声相互作用的情况下,利用非平衡格林函数和最低阶展开方法研究了铁磁性石墨烯纳米带的自旋电子输运性质。结果表明考虑电声相互作用将会引起两电极自旋极化方向反平行体系的某些偏压区内的电流增加4-5个数量级。这就导致了前人预测的双向自旋过滤性质的消失,以及有效呈现巨磁电阻效应的偏压范围变窄。电流的增加主要来自于一阶波恩散射过程的贡献,并且能通过费米黄金法则描述和解释。而同时电流的增加可能源自于声子的引入所导致的结构对称性破缺。基于非平衡格林函数和密度泛函理论,提出了一种在考虑非弹性输运过程的情况下研究自旋分辨塞贝克效应的有效方法。结果表明低能声子更容易贡献于热驱动的非弹性电流并影响自旋分辨塞贝克效应的性能。对非弹性输运过程的考虑,即可能促进又可能会限制体系的自旋分辨塞贝克效应的性能。在一个石墨烯纳米带的案例计算中,我们发现非弹性过程对电流的贡献能达到弹性电流的两倍左右,从而呈现出对此体系的自旋分辨塞贝克效应的促进作用。这表明研究自旋分辨塞贝克效应时有必要考虑电声耦合。我们发现大的非弹性电流的主要来源是与那支平面内呼吸模的耦合。这些结果有利于深入理解自旋分辨塞贝克效应中的物理过程。在考虑非弹性过程的情况下,用格林函数和密度泛函理论研究了一个单分子器件的电输运性质。我们得到了电流平台随温度升高而增高的结果,这和实验测量结果相符。我们发现这个电流平台高度升高的现象是由非弹性共振隧穿引起的,而不是声子导致的对量子干涉效应的退相干机制。同时在电流电压曲线中发现了一些小型的台阶以及主电流平台的倾斜,这些现象同样源于非弹性共振输运过程。提出了一个基于非平衡格林函数和密度泛函理论分析和研究分子器件微分电导谱的方法。证明利用非弹性共振隧穿理论,能很好的理解微分电导谱图。基于我们的公式,给出了微分电导谱图中的峰分别是由哪一个非弹性共振隧穿峰贡献的。并证明了微分电导谱图中存在的“加和效应”。利用这套理论,我们研究了C60分子器件中的微分电导谱图,并得到了符合实验数据的结果。

关键词：电声耦合电声相互作用非平衡格林函数最低阶展开非弹性输运自旋分辨塞贝克效应非弹性共振隧穿

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有机材料器件电荷/自旋输运特性研究

有机材料器件电荷/自旋输运特性研究

引用

作者：胡贵超山东大学

学位级别：博士

近年来,由于扫描隧道显微镜（STM）、自组装膜（SAMs）以及单分子和分子单层等实验合成技术的发展,使人们可以在分子层次使用有机材料构建更小更快的电子功能器件,从而使得分子电子学成为一门新兴而热门的学科。有机材料制作器件具有众... 详细信息

近年来,由于扫描隧道显微镜（STM）、自组装膜（SAMs）以及单分子和分子单层等实验合成技术的发展,使人们可以在分子层次使用有机材料构建更小更快的电子功能器件,从而使得分子电子学成为一门新兴而热门的学科。有机材料制作器件具有众多的优势,比如成本低,可大面积制作,并可通过物理或化学方法进行必要的人工“裁剪”,材料本身软的特性使得容易形成稳定的有机/金属接触等等。有机材料具有丰富的种类及功能多样性,目前,实验上已经测得苯、噻吩等具有π轨道的有机共轭聚合物可作为分子导线传导电流,而烷烃等分子只有σ键的材料具有较高的电阻,可作为绝缘体。某些复杂的生物大分子,如DNA,在不同的实验条件下更是表现出导体、半导体甚至绝缘体多种不同的导电性。同时,实验也表明,有机分子器件可实现多种与传统电子学器件类似的功能,如分子开关、负微分电阻、分子整流器和分子存储器等逻辑功能器件。对于有机分子器件导电性的研究实验上已广泛展开,如何理解实验上观测到的种种现象,理解有机材料器件中的电荷输运特性,已成为当前理论工作的重点。理论上对于分子器件的电荷输运研究主要以第一性原理结合非平衡格林函数的方法为主,它可以对有机小分子器件进行精确的电子结构计算,进而计算开放体系下的非平衡电荷输运特性,如TranSIESTA等。目前,相关理论工作已经对分子的导电机制以及一些分子器件功能现象给出了一定的解释。然而,对于有机分子器件电荷输运特性的理解还远远不够,仍有一些问题如与分子激发态有关的电子输运现象,分子晶格畸变对电导的影响,某些功能现象如共聚物分子整流器的物理机制,以及界面效应等仍缺乏完善的理论解释。研究理解以上现象,抓住有机材料本身所特有的软特性,建立完善的模型并计算非平衡态下的输运是关键。另一方面,人们进一步开发电了自旋自由度内丰富的物理内容,开辟了有机自旋电子学的领域。有机材料由于具有较弱的自旋轨道耦合以及超精细相互作用,因此相对于普通无机半导体具有较长的自旋弛豫时间。目前,实验和理论上对于有机自旋电子学的研究主要分为两类。一类是磁性电极到非磁有机材料的自旋注入与输运,如使用庞磁材料CMR向有机六噻吩的自旋注入,利用Co和LSMO为电极,中间分子为Alq3,构建有机自旋阀装置以实现磁电阻。Xie等从经典和量子两个角度出发,理论上对铁磁到有机材料的自旋注入和输运进行了广泛研究,并对有机材料本身的软特性进行了充分的考虑。有机自旋电子学的另一类研究是使用有机磁性分子作为载体实现自旋相关功能性。有机磁性分子集有机材料和磁性材料特性于一身,近年来已成为人们关注的对象。目前,实验上已经制备出一些有机磁体,典型的如有机铁磁体poly-BIPO等,它通过使用磁性侧基取代氢原子的方式实现铁磁性。之前,这方面的理论工作主要集中于对磁性分子磁性机制的理解,包括对电子—电子关联,自旋密度波以及边界效应的研究。而利用有机磁性分子制作器件,研究其自旋相关电子输运的理论和文验研究却很少。有机铁磁分子具有共轭的π轨道,可作为导电通道,同时,自身的自旋关联又使得电子输运具有自旋相关性。研究有机铁磁分子内的自旋极化电荷输运对于此类分子在有机自旋电子学的应用十分重要。研究非平衡态下有机器件中的电荷或自旋输运需要考虑有机材料所具有的软特性,即强的电子一晶格相互作用,外场和输运过程中的电荷积累都有可能导致分子品格的畸变,并影响分子电导。同时,我们也需要考虑小尺寸下的非平衡输运特性。因此,为理解有机材料器件中独特的电子和自旋输运特性,本论文结合一维紧束缚SSH（Su-Schrieffer-Heeger）模型和格林函数方法,系统的研究了不同晶格畸变对分子电导的影响。使用非平衡格林函数方法研究了共聚物分子二极管中的整流现象,对其相关机制给出了解释。对于有机铁磁分子,使用SSH+Heisenberg模型研究了其自旋极化输运,对可能存在的自旋过滤,自旋整流等现象进行了讨论。具体的研究内容和基本结果如下: 1.晶格畸变对分子线电导的影响相关实验及理论工作表明,电荷输运过程中有机分子有可能出现晶格畸变,并进一步影响分子线的电导。一些现象,如分子导电开关,可能与分子氧化（还原）态产生的构彤变化有关。与无机纳米线不同,有机材料本身强的电子—晶格作用使得有机材料基态下晶格原子二聚化,而电荷积累则会导致出现极化子或双极化子晶格畸变。尤其当分子线原子数目为奇数格点时,体系本身会产生—拓扑缺陷,形成结构扭曲。对于以上几种常见的晶格畸变,我们系统研究了其对分子线电导的影响。 1.1晶格原子二聚化使得分子出现派尔斯能隙,从而电子透射率谱一分为二。与晶格均匀排列时相比费米面附近的电子态的透射率大幅下降,这是由于电子—晶格相互作用束缚了电子态,降低了分子电导。 1.2分子

关键词：非平衡格林函数分子整流有机自旋电子学有机铁磁自旋整流

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GaN基共振隧穿二极管结构和机理研究

GaN基共振隧穿二极管结构和机理研究

引用

作者：杨文璐西安电子科技大学

学位级别：博士

多年来,电磁辐射源和探测器的发展对各种科学研究都至关重要。然而,对于介于微波与红外之间的频率为0.1～10 THz的太赫兹电磁波一直缺乏有效的电磁波产生源和灵敏的探测器。因此,能够弥合这一空隙的紧凑且相干的太赫兹源将开启通信、传... 详细信息

多年来,电磁辐射源和探测器的发展对各种科学研究都至关重要。然而,对于介于微波与红外之间的频率为0.1～10 THz的太赫兹电磁波一直缺乏有效的电磁波产生源和灵敏的探测器。因此,能够弥合这一空隙的紧凑且相干的太赫兹源将开启通信、传感和成像领域的无数应用。基于量子共振隧穿效应的共振隧穿二极管（Resonant Tunneling Diodes,缩写为RTD）以其结构紧凑、室温工作、覆盖频率较宽及利用少量器件完成多种逻辑功能等优点而受到广泛的关注。传统的RTD器件是基于砷化物材料制备的,然而,Ga As基RTD较小的输出功率难以满足通信对大功率的需求。为了解决这个问题,人们将目光投向第三代宽禁带半导体材料。作为代表材料的氮化镓（GaN）具有宽带隙、高临界场强、高电子饱和速度等优秀属性,这使其十分适合微波/毫米波大功率器件的制备。GaN基RTD器件也因此成为THz领域研究的热点。然而,GaN基异质外延结构中强的极化效应和高位错密度等不利因素使得GaN基RTD中存在多次电压扫描后性能衰退和反向偏置下负微分电阻（Negative Differential Resistance,缩写为NDR）特性消失等问题。本文即在此背景下通过制备三元的AlGaN/GaN异质结基RTD,进一步开发和挖掘GaN基RTD器件的性能优势,同时深入研究器件中极化与缺陷等负面效应的形成机制,进而提出抑制这些不利因素的方案。主要的研究成果总结如下:一、论文提出基于平面非平衡格林函数的GaN基RTD的建模方法。首先根据有限的关于III族氮化物的实验数据和Monte Carlo方法得到的模拟数据,通过Matlab工具进行数学拟合,提取到嵌入商用Silvaco ATLAS模拟器中的GaN基RTD建模所需的相关模型参数,如速场、电离、复合等。其中,重点对GaN基异质结界面极化效应和缺陷进行建模。在这些材料模型的基础上,选择完全量子化的非平衡格林函数对器件传输机制进行建模,最后仿真得到GaN基RTD的NDR特性。二、论文在保证器件有源区材料质量的前提下,提出通过改变接触层掺杂浓度、集电极和发射极隔离层厚度来抑制器件耗尽区宽度提高器件透射系数的方法,并完成优化后RTD材料结构的生长和表征。文中首先在第二章所建GaN基RTD模型的基础上,提取了不同结构参数下的器件能带结构和透射系数,通过对比分析得出小的集电极隔离层厚度有利于提升器件性能的结论。接着,采用金属有机气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition,缩写为MOCVD）外延技术在GaN自支撑衬底上完成优化后GaN基RTD结构的生长。最后,通过原子力显微镜、高分辨X射线衍射、透射电子显微镜等设备对RTD全结构外延片表面形貌、内部结构、缺陷等进行了表征,结果显示基本达到设计要求。三、论文制备了具有空气桥结构的三元AlGaN/GaN异质结RTD并观察到室温下可重复扫描的双向负微分特性。考虑到太赫兹器件对低寄生参量的需求,借助于常规的GaN基高频器件工艺制备线,设计并研制了具有空气桥结构的RTD。测试中,首先通过低温测试排除陷阱充放电形成NDR区域的可能性。随后,对制备的器件进行双向电压扫描,结果显示室温下正反向均呈现出清晰的NDR特性,且峰值电流密度分别为72.2 k A/cm2和54.1 k A/cm2。室温下进行多次电压扫描,结果显示正反向NDR特性均可重复40多次。最后,通过数值仿真与实验数据相互印证的方法重点就低Al组分势垒对器件反向NDR的增强特性进行了深入的理论分析,提出可以通过降低器件中的极化效应来提高器件性能,为后文器件结构设计指明了方向。四、论文提出了近晶格匹配的InAlGaN/GaN异质结RTD结构。采用与GaN近晶格匹配的InAlGaN做势垒,消除晶格失配所引入的内建电场和缺陷,从而改善器件的I-V特性。文中首先建立了四元InAlGaN的材料模型和近晶格匹配的四元RTD器件模型,在此基础上通过数值仿真得到器件的I-V特性。结果表明,得益于四元InAlGaN能够独立调节异质结应变电场和禁带宽度的特性,近晶格匹配的四元InAlGaN/GaN异质结RTD的峰值电流可达到近晶格匹配的三元InAlN/GaN异质结基RTD的二十多倍。此外,文中通过在异质结界面引入几种不同的深能级缺陷,研究了四元InAlGaN做势垒对器件可重复性的改善作用。五、论文提出了二元GaN做势垒的GaN/In GaN异质结RTD结构。该器件结构可以通过调节In组分解决常见的二元势垒Al N/GaN异质结RTD中固定导带带阶对器件应用范围限制的问题。文中首先对In GaN材料和器件进行建模,通过自洽求解泊松-薛定谔方程和平面非平衡格林函数,获得GaN/In GaN异质结RTD的双向负微分特性。最后,通过改变

关键词：共振隧穿二极管 GaN MOCVD 空气桥非平衡格林函数

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低维纳米结构中的热输运与热电性质研究

低维纳米结构中的热输运与热电性质研究

引用

作者：谢忠祥湖南大学

学位级别：博士

随着新材料技术和纳米技术的快速发展,器件尺度的纳米化已成为了一个不可避免的趋势。由于纳米器件的尺寸效应,它们展现了新颖的物理性质和非常广泛的应用前景。本论文通过运用Landauer输运理论结合散射矩阵或者非平衡格林函数的计算方... 详细信息

随着新材料技术和纳米技术的快速发展,器件尺度的纳米化已成为了一个不可避免的趋势。由于纳米器件的尺寸效应,它们展现了新颖的物理性质和非常广泛的应用前景。本论文通过运用Landauer输运理论结合散射矩阵或者非平衡格林函数的计算方法,研究了低维纳米结构中(纳米线、纳米带)的弹道声子热输运以及热电性质,获得了一些有意义的结果。首先,在弹性连续模型近似下,通过发展模匹配计算技术,我们研究了柱形纳米线中的弹道声子输运与热导性质。结果显示声子输运在低频区呈现出周期性的输运行为；然而对于大的入射频率,由于激发的高阶模对声子输运有了贡献,输运系数变得非常复杂。对于一些特定的入射频率,声学声子模的共振透射和全反射行为能被观察到。在温度T→0的极限下,热导趋向于普适的量子化值π2k2MT/3h,无关于纳米腔的几何结构参量。然而随着温度的持续增加,热导与温度的关系展现了非单调性行为,且热导敏感地依赖于纳米腔结构参量的变化。接着,我们通过运用非平衡格林函数方法,研究了含缺陷结构(空位缺陷和SW缺陷)锯齿形石墨纳米带中的声子热输运性质。结果发现边缘和局部缺陷的耦合效应在决定热输运性质中起着至关重要的作用。当入射频率比较小时,空位缺陷对声子输运性质的影响要强于SW缺陷；然而当频率比较大时,情况刚好相反。在温度T→0的极限下,所有的热导趋向于普适的量子化值3κ0(κ0=π2k2BT/3h)。随着温度的持续增加,缺陷对石墨纳米带中热输运的影响表现出了从量子到经典特性的显著转变。这些结果表明调制石墨纳米带的结构缺陷和带宽能用来调控热导。我们也通过运用非平衡格林函数方法,研究了T型石墨纳米带中的热电性质调控。结果显示由于界面弹性散射,声了输运被强烈抑制；然而热功率S被提高到数倍于理想值。这些行为导致了ZT因子的极大提高。而且适当地调整T型石墨纳米带的结构和边缘形状,ZT因子的提高能变得更加明显。这些结果表明调制T型石墨带的几何结构也许能有效地改善石墨纳米带的热电性能。此外,我们研究了非对称三端口石墨烯纳米结中的非线性声子输运性质。结果显示中间探针温度TC展现出向上弯曲的抛物线行为。根据声子的非线性,热整流行为能够通过分析和数值计算得到,且整流效率远高于其他材料的整流效率。增加左右两个端口间的非对称度能明显地提高热整流效率。另外,中间端口不仅扮演着温度探针的作用,也能够有效地调整热整流行为。这些结果表明非对称三端口石墨烯纳米结也许能用于设计弹道热整流器。最后,我们研究了硼氮纳米带中的弹道热电性质。结果显示硼氮纳米带的电导,电子热导随着化学势阶梯状地增加,然而Seebeck系数在第一个导带边缘呈现出非常尖锐的峰值,高达1200kB/e。由于硼氮纳米带的宽带隙,它的电子热导远小于对应石墨纳米带的电子热导；然而功率因子数倍于石墨带的值,意味着硼氮纳米带的热电性质远优于石墨纳米带。当硼氮纳米带的尺寸增加时,电导的量子化平台逐渐被抹平,甚至消失；然而Seebeck系数急剧地减少。这些结果表明小尺寸的硼氮纳米带能用来提高热电器件的效率。

关键词：柱形纳米线纳米带声子输运热导热电性质热整流非平衡格林函数

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磁性单分子器件电子输运性质及其自旋调控

磁性单分子器件电子输运性质及其自旋调控

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作者：周艳红湖南大学

学位级别：博士

本文采用第一性原理计算方法,系统地研究了分子尺度体系输运性质中存在的几个问题以及通过设计特殊分子器件实现有意义的输运特性。重点探讨了酞菁分子和过渡金属酞菁分子的磁致电阻效应、宽度对6,6,12石墨炔输运性质的影响,得到了好的... 详细信息

本文采用第一性原理计算方法,系统地研究了分子尺度体系输运性质中存在的几个问题以及通过设计特殊分子器件实现有意义的输运特性。重点探讨了酞菁分子和过渡金属酞菁分子的磁致电阻效应、宽度对6,6,12石墨炔输运性质的影响,得到了好的磁致电阻效应,负微分电阻和自旋过滤效应,并行碳链中的基尔霍夫定律以及石墨炔纳米带的稳定性问题。主要内容如下:第一章介绍了分子电子器件研究的发展概况、人们探索分子尺度器件的实验方法以及当前研究分子器件的主要理论方法,最后阐明了本论文研究的主要内容和意义。第二章是理论基础和计算方法部分。在介绍什么是第一性原理计算的基础上,详细介绍了两种主要的第一性原理方法Hartree-Fork近似方法和密度泛函理论方法的理论基础和实际应用。最后详细地介绍了如何把密度泛函理论和非平衡态格林函数方法结合起来,进行分子导体输运特性的第一性原理计算及所采用的计算程序。第三章是基于实验上测得酞菁分子和钴酞菁分子具有巨磁电阻效应,我们研究了酞菁分子和过渡金属酞菁分子的磁致电阻效应,得到了比实验上大得多的磁致电阻效应。通过分析多种过渡金属酞菁分子的自旋磁矩,铬酞菁分子中的过渡金属鉻原子拥有最大的自旋磁矩,因此最适合做自旋过滤器件,我们的计算验证了这一点。第四章6,6,12-graphyne,虽然不像石墨烯,alpha石墨炔那样具有六角对称结构,但却具有不对称的狄拉克锥。这预示着6,6,12-graphyne具有奇特的电子特性和输运性质。因此我们对锯齿型的6,6,12-graphyne纳米带的输运性质进行了研究。研究发现,4个宽度此纳米带费米能级附近两条能带不像石墨烯那样是平的,而是弧形的,也不同于5个宽度此纳米带的,这就导致了非常不一样的输运性质。如在不考虑磁性的情况下,5个宽度6,6,12-graphyne的体系中,电流是被抑制的。在反平行的自旋极化下,5个宽度6,6,12-graphyne的体系中出现了磁致电阻效应,负微分电阻和自旋过滤效应。第五章是为了实现电子器件的不断小型化,人们基于单分子设计出了具有各种功能的电子器件。传统器件中的二极管效应,开关效应,场效应管,自旋过滤和磁致电阻效应等,都已经在分子体系,甚至单分子体系中实现了。然而,在分子器件中实现传统的基尔霍夫定律的研究工作却很少。仅有的几篇相关文献均没能在分子尺度器件中实现传统的基尔霍夫定律,原因是并行分子链间存在耦合,这种耦合会产生量子相干或退相干作用。鉴于此,为了在分子器件中实现基尔霍夫效应,我们试图通过增加分子间的距离来减少或消灭量子相干效应;同时我们选择了分子本身宽度很窄的碳原子链作为材料。结果和我们的预想一致,在我们设计的电路中显示出了完美的基尔霍夫叠加定律:当双碳链之间的距离调整到15.5?时,双链体系的电导是单链体系的1.96倍,同时在一个大的电压范围内,通过双链的电流几乎是通过单链的2倍。此外,增加双链之间的距离,电导叠加效果更好;相比于单链,双链体系中的自旋过滤效果得到了加强。第六章跟石墨烯纳米带一样,石墨炔纳米带的磁性稳定性也不理想。如纳米带12个宽度时,铁磁态和反铁磁态的总能相差只有2.8me V。我们对锯齿型石墨炔纳米带三种磁态的稳定性进行了初步计算,计算结果显示,边沿双氢化的石墨炔纳米带反铁磁态的稳定性较单氢化的明显增强。边沿双氢化的石墨炔在没有加外电场时,铁磁态与反铁磁态的总能差值为20.3me V(而单氢化时仅为8.2me V)。随着外电场的介入,这种总能差值随着电场的增加而增加,在0.07 V/?时达到了最大值35 me V。这个总能差值是令人兴奋的,因为它相当于408K的温度差,这表明石墨炔在电场0.07 V/?时可以在常温下保持稳定。我们的计算还发现在电场范围(0.04～0.07)V/?内,自旋向上的能带通过了费米能级,而自旋向下的能带是直接带隙的。也就是说通过调节外电场的值,我们得到了半金属性,而且这种半金属性是稳定的,这预示着石墨炔可以制作成稳定的自旋过滤器件。第七章采用密度泛函理论+非平衡格林函数方法的算法,通过调控酞菁分子中钴原子的自旋方向来调控其自旋过滤效果。当不考虑钴原子磁性方向时,钴酞菁分子体系中的自旋过滤效果不佳。考虑钴原子的磁性方向后,自旋向上和自旋向下电流的差值变大了。对于电极磁性平行的情况,当把钴原子的磁性方向调制与电极自旋方向一致时,自旋过滤效果从差变到很好。同样对于电极磁性方向反平行时,把钴原子的磁性方向调制成与左电极方向一致,自旋向上的电流在整个考虑的电压范围内明显增大,而自旋向下的电流保持遏制,自旋过滤效果变得更加完美。因此,钴酞菁分子中钴原子的自旋方向可以极大地提高自旋过滤效应。

关键词：分子电子器件非平衡格林函数密度泛函理论电子输运机理自旋过滤效应磁致电阻效应基尔霍夫定律双氢化半金属性

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低维碳、硅结构纳电子效应及其纳功能器件设计

低维碳、硅结构纳电子效应及其纳功能器件设计

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作者：郭艳东南京航空航天大学

学位级别：博士

随着器件小型化的不断发展和集成度的不断提高，传统的硅基半导体器件已经逼近了其极限尺寸。与此同时，随着实验制备工艺和合成技术的发展，越来越多的纳米材料和纳米结构不断涌现出来。其中，以石墨烯、碳纳米管为代表的碳纳米结构呈... 详细信息

随着器件小型化的不断发展和集成度的不断提高，传统的硅基半导体器件已经逼近了其极限尺寸。与此同时，随着实验制备工艺和合成技术的发展，越来越多的纳米材料和纳米结构不断涌现出来。其中，以石墨烯、碳纳米管为代表的碳纳米结构呈现出丰富的结构形式和独特的电学性质，被普遍认为是下一代纳电子器件的基础材料。令人惊喜的是，与碳同属一个主族的硅，最近发现其也可以形成与石墨烯结构相类似的硅烯结构，通过金属掺杂，还可以形成与碳纳米管结构相类似的硅纳米管结构。这些新结构的发现，使得硅基器件迎来了新的发展机遇，并且硅基结构可以实现与现有设备和技术更好地相容。随着研究的深入，纳米结构蕴含的各种量子效应不断被发现，并被用来设计各种纳电子器件。基于此，我们采用密度泛函结合非平衡格林函数的方法，研究了几种典型的碳、硅纳米结构及其复合结构的电子输运性质，发现了一系列新的电子输运现象，通过分析，解释了其中的物理机制，设计并构筑了相应的新型纳电子器件。本文的主要内容如下：第一章介绍了碳、硅纳米结构及纳电子学的相关理论和功能器件应用，给出了本文的研究内容概述。第二章介绍了本文的理论研究基础和计算方法，其中包括：密度泛函理论、Landauer理论、非平衡格林函数理论。第三章研究了新合成的管状富勒烯结构D5h(1)-C90的输运性质，在电流-电压曲线中发现了三个负微分电阻区，并且这些负微分电阻可以通过栅极电压进行调控，分析表明，由偏压和栅压引起的电荷转移、分子-电极耦合强度二者的改变是造成这些现象的原因。第四章研究了“二维/一维/二维”纯碳π共轭纳米结构（“石墨片/碳原子链/石墨片”和“苯环/碳原子链/苯环”）的输运性质，发现了构型变化引起的开关效应。通过研究，发现二维和一维结构中透射通道的空间不对称是导致开关效应的物理机制，而且可以推广到金属系统。我们提出并构筑了最小的纯碳逻辑门以及其它器件。由于原子的移动可以直接对信息进行处理，因而我们的开关效应和器件非常适合用于纳米机械控制领域。第五章我们提出并研究了两种纯碳结构（“非对称接触构型碳原子链-碳纳米管”和“局域H饱和石墨带”）的输运性质。在第一种构型中，我们发现原子链和碳纳米管的非对称接触可以实现电流的自旋极化，无需掺杂、铁磁电极、和外加电场。通过改变管径和管长能够实现100%的自旋电流过滤。在第二种构型中，我们发现靠近石墨带边界的H饱和会抑制其边缘磁矩，导致费米面处透射为零，但是在费米面两侧存在两个不同自旋的透射峰，提出并验证了施加栅极的三端器件可以实现栅压控制电流自旋极化率，几乎从100%变化到-100%，可以用作电控、纯碳、双向自旋过滤器。另外，我们发现了一大批石墨带构型可用于此应用。第六章分别研究了Co、Mn掺杂Si纳米管耦合Cu电极的自旋输运性质。在Co掺杂纳米管中，发现当纳米管的管长增加时，电子透射出现了从自旋未极化到自旋极化的转变，研究表明，这种转变的发生是由Cu电极对于边缘Co原子磁矩的屏蔽作用以及Co原子之间自旋不对称的相互作用共同导致的。在Mn掺杂Si纳米管中，我们发现栅压可以调控电子透射的自旋极化率从0变到90%。研究发现，栅压对Si、Mn间电子转移的调节是内在的物理机理。另外，我们还研究了铁磁态硅烯纳米带中温度与自旋电流的关系，发现了自旋塞贝克效应的存在，同时，还发现自旋电流会随着电极温度的升高，出现先增大后减小的变化趋势。经过对透射谱和费米分布函数的分析，发现自旋电流的变化是由于二者受温度影响共同作用所导致的。通过对比石墨带中的自旋塞贝克效应，发现硅烯中的自旋电流要比石墨烯中的大一个数量级，更有利于应用。分析表明，二者的不同是由于石墨带中透射峰远离费米面所导致的。第七章研究了一种具有稳定螺旋结构的分子—“螺烯”的输运性质，该分子兼具单层和多层石墨烯的结构特征。研究发现，当螺烯分子的面间距发生改变时，分子导电性呈现先减小后增大的U型变化趋势。分析表明，这是由电子的层间透射和层内透射相互竞争所导致的。通过替换Au电极以及边缘原子的方式，检验了螺烯的导电性变化。结果表明，U型曲线是螺烯分子结构所特有的本质属性，并不随这些因素的改变而发生变化。第八章提出并验证了单电子晶体管纳米孔构型用于DNA碱基测序。电子电流纳米孔测序技术存在电流较弱导致信号/噪声比较低的弊端，针对这种情况，我们提出充分发挥单电子晶体管中弱耦合的特性，将其与纳米孔方法相结合，使器件工作在库仑阻塞区。我们发现碱基所对应的二维电荷稳定图各不相同，并且不随碱基分子的空间取向发生质的变化，可以看做是“电子指纹”，用于碱基检测。第九章对本文研究工作进行了总结及展望。

关键词：纳电子器件电子输运密度泛函理论非平衡格林函数自旋电流

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单分子电子输运性质的第一性原理研究

单分子电子输运性质的第一性原理研究

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作者：郑继明西北大学

学位级别：博士

本文在回顾、分析单分子电子输运性质实验和理论研究进展的基础上,详细介绍了目前国际上主要使用的,结合非平衡格林函数（NEGF）和密度泛函理论（DFT）的第一性原理模拟方法及其软件实现;并利用基于该方法的模拟软件包TranSIESTA,对Au/1... 详细信息

本文在回顾、分析单分子电子输运性质实验和理论研究进展的基础上,详细介绍了目前国际上主要使用的,结合非平衡格林函数（NEGF）和密度泛函理论（DFT）的第一性原理模拟方法及其软件实现;并利用基于该方法的模拟软件包TranSIESTA,对Au/1,4-diaminoacenes/Au、Al/TaSi3/Al和单壁碳纳米管及其吸附小分子系统的电子输运性质进行了系统的研究,获得如下结论: （1）、对1,4对苯二氨分子夹在Au（111）-（3×3）的电极之间构成的结而言,随分子-电极距离增加,系统的平衡电导呈现下降趋势,但在1.4（?）到1.9（?）之间,平衡电导曲线中近乎出现一个平台,这表明:1,4对苯二氨这种分子的平衡电导对分子-电极之间的距离并不十分敏感。加上偏压后,在0V到1V范围内,由于偏压的线性增加与其引起的透射谱移动幅度增加的竞争,造成系统电流-电压的非线性特性。该系统的输运特性还受到分子苯环数目和氨基取代位置的影响。对位取代的分子,随苯环数目的增加,分子的平衡态透射谱在费米能级位置出现了较高、较宽的透射峰,这意味着其小偏压下的导电能力将逐步增强。而非对位取代的分子,随苯环数目增加,原本在费米能级位置出现的透射峰将逐步远离费米能级,这意味着其小偏压下的导电能力将逐步减弱。这些计算工作部分地解释了最近的实验结论,为进一步的实验研究奠定了基础。（2）、对（4,4）单壁碳纳米管及其吸附水或氧气分子的系统而言,在0V到2V的偏压下,系统对电压的增加呈现两种不同增加速率的电流响应,其中电压小于1.1V时电流增加速率较大;而当偏压大于1.1V后,由于两端的碳纳米管电极化学势之差变大,导致较多的电极态进入中心散射区,破化了系统原有的对称性,增强了电子散射,故而电流增加速率变缓。通过模拟计算还表明:吸附的分子提供了双重作用,一方面它们的电子态会破坏碳纳米管势场的平移对称性,从而降低系统的透射能力;而另一方面,吸附分子提供的能级,有利于电极中的电子隧穿散射区;只当偏压窗口包含吸附分子所贡献的透射能力时,这种吸附的影响才会反映在电压-电流特性中。故而,（4,4）碳纳米管吸附水分子时,系统的电压-电流与未吸附系统几乎相同,只有在偏压大于1.8V之后,吸附系统比未吸附系统的电流略有增加:而（4,4）碳纳米管吸附氧分子时,系统的电压-电流与未吸附系统相比一直都稍低,只当偏压大于1.7V之后,吸附系统比未吸附系统的电流略有增加。（3）、对TaSi3团簇夹在Al（111）-（3×3）电极之间构成的结而言,随分子-电极距离增加,系统的平衡电导呈现强烈的振荡变化。而这种振荡来自于重整化分子能级8态和9态随距离的变化对费米能级处透射谱的交替控制。团簇与电极的相对位置不同,平衡电导也会产生相应的变化,其中团簇绕x轴旋转50度时,系统的平衡电导最小,约为1.1G0,其它转角下平衡电导均在2.2G0左右变化。随门电压的增加,平衡电导在门电压0.6V时最小,约为1.95G0,其它门电压下平衡电导均在2.2G0左右变化。加上偏压后,系统的电流-电压响应在-1.0V到1.0V内呈现出非对称的整流特性,并且在0.3V到0.4V出现负微分电阻现象。表明该团簇在分子尺度的逻辑元件应用方面存在较大的潜在价值。

关键词：非平衡格林函数密度泛函理论电子输运氨基取代芳香环分子单壁碳纳米管钽硅混合团簇

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石墨烯及其纳米带电磁输运性质研究

石墨烯及其纳米带电磁输运性质研究

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作者：周本胡湖南师范大学

学位级别：博士

石墨烯是一种新型二维平面碳纳米材料,其电子在狄拉克点附近的线性色散关系决定了它具有丰富而新奇的性质.自2004年底成功制备以来,迅速成为凝聚态物理、材料、化学、信息和生物技术等学科领域的交叉研究热点之一.本文分别采用狄拉克方... 详细信息

石墨烯是一种新型二维平面碳纳米材料,其电子在狄拉克点附近的线性色散关系决定了它具有丰富而新奇的性质.自2004年底成功制备以来,迅速成为凝聚态物理、材料、化学、信息和生物技术等学科领域的交叉研究热点之一.本文分别采用狄拉克方程,紧束缚近似,非平衡态格林函数和第一原理等方法对石墨烯及其纳米带的电子输运和自旋输运性质进行了较系统的理论研究,为其在纳米电子器件,自旋量子器件等领域的应用提供理论指导. 全文共分为六章.第一章为绪论部分,简要介绍了石墨烯的发现及实验制备,石墨烯及其纳米带的应用背景.第二章,我们详细介绍了石墨烯及其纳米带的能带结构以及石墨烯的奇异物理性质. 第三章至第五章是我们自己的工作.第三章,我们利用狄拉克方程研究了单模式和多模式扶手椅型石果烯纳米带在外加方势垒下的输运性质.结果表明：对于金属扶手椅边缘石墨烯纳米带,最低子带对应的透射系数恒为1,其它子带的透射谱与半导体扶手椅纳米带系统中的子带类似.所有子带均敏感地依赖于扶手椅纳米带的宽度以及势垒的宽度和高度.此外,我们还研究了多模式金属和半导体型扶手椅纳米带的电导和Fano因子.结果表明：电导最小对应Fano因子最大,且Fano因子最大值大于石墨烯中Fano因子的普适值(1／3). 第四章是我们研究的重点内容.我们推导出了石墨烯和扶手椅石墨烯纳米带在动量空间中的推迟格林函数.利用非平衡格林函数方法,系统地研究了外加磁绝缘体下石墨烯的自旋输运性质.结果表明：在两铁磁平行分布的情况下,系统电子自旋向上(向下)的态密度随两铁磁电极极化强度的增大而减小(增加)：但系统的电导正好相反,电子自旋向上(向下)的电导随铁磁电极极化强度的增大而增加(减小).系统电子自旋向上和向下的电流在小偏压时呈现出线性行为,而在大偏压时则表现为非线性现象.有趣的是,当磁绝缘体在石墨烯中引起的交换劈裂能为0时,系统的TMR呈现出一个尖端结构,在0电压处出现极大值.而当交换劈裂能不为0时,这一尖端结构被强烈地抑制.此外,系统的自旋转矩随两铁磁电极磁矩的相对夹角呈正弦函数变化,而随电压的关系类似于系统的电流,且正比于两铁磁平行分布下自旋电流的大小,自旋转矩对交换劈裂能大小的变化不甚敏感.基于相同的方法,我们进一步研究了外加磁绝缘体下7-和8-扶手椅石果烯纳米带的自旋输运性质.研究结果表明,对于7-(8-)扶手椅理想条带，系统的态密度随电子入射能量的关系在费米能附近表现为对称的0平台(非0平台)；当电子入射能量远离费米能时,7-和8-扶手椅纳米带的电子自旋向上和向下的态密度均呈现出一系列尖峰结构.由于量子尺寸效应,线性电导、微分电导也呈现出一系列尖峰结构,且这些尖峰的位置随交换劈裂能而变化.有趣的是,在交换劈裂能为0时,7-和8-扶手椅纳米带的TMR在0电压附近均呈现出理想的平台结构；而当交换劈裂能不为0时,7-扶手椅纳米带的TMR的平台结构变窄,8-扶手椅纳米带的TMR在0电压附近出现一个更高的平台结构,其宽度正比于交换劈裂能的大小.通过进 -步研究,发现7-扶手椅纳米带的自旋转矩定量上要大于8-扶手椅纳米带；7-和8-扶手椅纳米带的自旋转矩随两铁磁电极磁矩的相对夹角变化与石墨烯系统类似；与石墨烯不同的是,7-和8-扶手椅型纳米带的自旋转矩随交换劈裂能呈振荡行为. 第五章,利用第一原理AtomisticToolkit程序包,计算了掺杂与非掺杂十字型石墨烯纳米结系统的电子输运性质.计算结果表明,十字型结的电子输运性质十分敏感于分支的高度、宽度等几何特性和惨杂的位置.例如,当氮(或硼)掺杂于两臂时,我们发现十字型石墨烯纳米结系统在低偏压情况下电流随偏压的增加基本保持为零；但当氮(或硼)掺杂于两干时,电流随偏压的增加显著增大. 第六章,我们对本文的工作进行了总结和归纳,并对石墨烯及其条带的电磁输运性质这一研究领域的发展前景作了简要的展望.

关键词：石墨烯纳米带输运性质隧道磁电阻自旋转矩紧束缚方法非平衡格林函数 Atomistic Toolkit软件

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