检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：房常峰山东大学

学位级别：博士

自1974年Aviram和Ratner从理论上提出分子整流器的模型之后，分子电子学由于其潜在集成电路方面的应用引起了人们极大的研究兴趣。作为一种新型的分子功能器件，基于D-σ-A结构的分子整流器在理论上被证实是可行的。在D-σ-A模型中，D和... 详细信息

自1974年Aviram和Ratner从理论上提出分子整流器的模型之后，分子电子学由于其潜在集成电路方面的应用引起了人们极大的研究兴趣。作为一种新型的分子功能器件，基于D-σ-A结构的分子整流器在理论上被证实是可行的。在D-σ-A模型中，D和A分别是电子给体和电子受体，通过“绝缘的”共价σ键连接，由于两侧的费米能级不同，电子易于由A向D传输，因此产生整流效应。在过去的几十年中，人们合成了大量的具有整流效应的分子体系。由于分子整流器件是最先提出的分子功能器件，而且是构成电子元器件的最小单元，因此在分子电子学的发展过程中发挥了重要的作用。随着相关试验技术的出现和应用，如LB膜、自组装单层膜和有机分子束外延生长、扫描隧道显微镜、纳米孔、力学可控劈裂结、电迁移、局部氧化切割碳纳米管法、电极沉积、掩模蒸镀法、线上蚀刻等，使得人们设计并测量具有不同功能的分子器件成为可能。到目前为止，针对分子器件实验和理论的研究主要集中在开关，整流，负微分电阻等电荷输运特性上。在电极/有机分子/电极三明治体系的分子器件中，由于电极与中间分子界面接触的不可重复性，实验上很难重复测量结果，因此理论上解释并预测分子器件的电荷输运性质显得尤为重要。其中，利用极性分子合成的分子整流器件的研究特别引人关注，因为它是未来分子逻辑电路的基本组成部分。由于极性分子中分子偶极矩的存在，分子与两侧电极在界面处会产生耦合不对称，形成不对称的界面势。另外，非对称电极连接对称分子时同样也会导致分子与两侧电极界面处耦合强度不同，导致界面势的不对称。因此，如何利用分子偶极矩或选取具有不同电化学势的两侧电极，调控分子与两侧界面的耦合强度，进而设计功能性分子器件具有重要的研究价值。\n 在本论文的研究中，利用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理方法，我们着重研究偶极特性分子器件中电荷输运特性，探讨由于分子偶极矩或非对称电极的存在对分子器件电输运性质的影响。本论文具体的研究内容和主要结果如下:\n 1.单分子整流现象研究\n 1.1针对相关实验，构建模型研究了2，4\'-聚噻唑、聚噻吩、噻吩噻唑两嵌段聚合物分子中电荷输运特性。研究发现在均聚物PTz及两嵌段聚合物DBO分子器件中存在明显的整流效应。通过分析透射谱，能级偏移和展宽以及MPSH轨道，发现能级的偏移与展宽以及MPSH轨道在外场下扩展性的变化共同作用导致了PTz和DBO中的整流现象。进一步分析分子的构型，我们提出分子极性导致的分子偶极矩可能是产生分子整流现象的根本原因。\n 1.2针对C59N单分子吸附在烷链上呈现整流现象的实验，我们构建模型进行了理论模拟，计算结果与实验测量值在性质上基本一致。通过分析局域态密度和空间有效势随外加偏压的变化图像，对分子偶极矩在电荷输运过程中所起的作用给出了形象化的阐述。进一步证实了分子偶极矩的存在可以引起整流现象的产生。\n 2.非对称电极分子器件中的电荷输运性质研究\n 2.1我们研究了不同长度的碳链分子连接到非对称金和银电极中的电荷输运特性。研究发现碳链的稳定状态为单三键交替的聚炔烃形式，使用非对称电极时，电荷输运出现电荷整流，电流-电压曲线性质与碳原子数目的奇偶性有关，整流方向随碳原子数目奇偶性变化呈现整流反转。平衡状态下，电导随碳原子数目振荡。通过分析局域态密度和平衡状态下电荷的转移，理论上初步解释了透射谱上出现的透射谷。\n 2.2研究了通过共轭分子连接电化学势不同的金属电极时所出现的Fano共振现象。它的产生是由于电极间功函数差异引起电荷转移后平衡状态下某一能量下电子态的局域。随分子的共轭长度变长（使用嘧啶基连接）和分子与电极耦合强度的减弱（使用氨基连接时），Fano共振出现不同程度的减弱。

关键词：分子器件偶极特性密度泛函非平衡格林函数电荷输运

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三端口量子点系统热电输运

三端口量子点系统热电输运

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作者：陆金成苏州大学

学位级别：博士

随着社会的高速发展,不可再生能源的消耗的不断增加和能源供应问题的日益加剧,对于追求可再生能源和能量的二次应用已经成为当下的一个紧急任务。未来科技的一个重要挑战是制造具有高能量效率、多功能、少材料耗费的智能设备。热电效应... 详细信息

随着社会的高速发展,不可再生能源的消耗的不断增加和能源供应问题的日益加剧,对于追求可再生能源和能量的二次应用已经成为当下的一个紧急任务。未来科技的一个重要挑战是制造具有高能量效率、多功能、少材料耗费的智能设备。热电效应可以将环境中的废弃热量转换成电能,且热电能量转换具有无机械损耗、无噪音、长寿命等优势,是优质的可再生能源来源。近年来,纳米技术和热功转换重新推动了纳米器件的研究,如热电整流器、热晶体管等。量子热电输运有助于我们探测微纳尺度下粒子输运的性质,帮助寻找高热导的材料以开发全新的散热器件。本文首先讨论描述各种介观或者纳米系统中的稳态输运性质和纳米尺度下热-功转换的基本问题,并详细介绍了量子热机和热电器件的理论和实验进展。而在计算模型和方法上,主要利用Landauer-Buttiker公式及平衡和非平衡格林函数理论,研究多自由度介观系统的非平衡统计、输运等,将非平衡统计物理、开放量子系统和量子光学有机融合起来,并与最新的实验进展相互结合。具体内容如下:一、热电合作效应可以提高量子三端口量子热机的能量效率和功率。通过考虑量子点的弹性隧穿,我们研究了三端量子热机的效率和功率,在三端几何结构的推动下,三端量子热机可以同时在两个通道中产生电流的同时,只有一个热电流被利用。这两个通道中的电流可以根据他们的信号以相消或者相干的方式叠加。电流之间的相干叠加提高了热机的效率和功率,我们将这种相干增强称之为合作效应,此种理论在三端口系统的能量获取具有普适性。二、建立了具有两个独立输出电流和一个输入热电流的三端口量子热机的最佳效率和功率理论。首先我们推导出破缺时间反演对称性下具有多个输出电流的三端量子热机的最大效率、功率以及它们之间的权衡关系。利用此公式,我们计算了基于各种物理参数下的量子点三端口热机的最大效率和功率。通过具体的数值计算结果,我们发现采用两个输出电流的装置超越了传统的只有一个输出电流的量子热机,可以大幅度地扩大量子热机的参数范围,进一步提高效率和功率,从而为实现高性能热电器件提供了有效的途径。三、三端量子点电路量子电动力学系统作为热电二极管和晶体管。基于量子点电路量子电动力学系统中的最新突破,从量子光学器件的角度出发,实现了在热电装置领域的应用。使用Keldysh非平衡格林函数方法证明了腔耦合双量子点系统可以作为优良的量子热电二极管和晶体管。基于精确极化子变换的二阶微扰方法,我们发现热电输运性质对电子-光子相互作用的依赖性超出了传统二阶微扰理论的预测。我们证明了放置在有限偏置电压下与超导腔量子电动力学结构集成的量子点系统,由于强光-物质相互作用导致了显著的电整流和Peltier整流效应。由于光子辅助的非弹性输运,我们进一步发现了在线性响应区域内的热晶体管效应,这为量子热电器件开辟了一个前沿领域。四、在量子点电路量子电动力学系统中实现光子增益。利用Keldysh非平衡格林函数方法,我们研究了耦合到量子点系统的非平衡微波光子腔的光子和电子特性,证明了在线性响应区域,双量子点系统可以作为微腔光子的增益媒介,通过对谱函数、传输函数和相位响应的计算,发现电子-声子和电子-电子相互作用可以提高光子增益,并近一步阐明了这种效应是实现光子源量子器件的关键,为实现光子传输和放大提供了具体的方向。最后我们总结了本论文的研究工作,并简要讨论了下一步的工作方向。

关键词：热力学热电效应量子热机非平衡格林函数光物质耦合系统

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Ca掺杂单层Bi2O2Se光电性能的研究

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山西大学学报(自然科学版) 2024年

作者：崔慧芹郑世姣杨致王娟芬陈波张龙龙薛林太原理工大学物理学院太原理工大学电子信息与光学工程学院中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室

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，对单层Bi2O2Se中本征点缺陷Se空位(VSe),O空位（VO）和Ca取代Bi (CaBi)掺杂形成的难易程度及光电性能进行了研究。结果显示，VSe为浅施主且形成能较低，是二维Bi2O2Se材料n型特... 详细信息

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，对单层Bi2O2Se中本征点缺陷Se空位(VSe),O空位（VO）和Ca取代Bi (CaBi)掺杂形成的难易程度及光电性能进行了研究。结果显示，VSe为浅施主且形成能较低，是二维Bi2O2Se材料n型特性的主要来源。CaBi为受主，可以补偿本征点缺陷的n型特性，并有效调控费米能级到价带顶（valence band maximum,VBM）上0.81 eV附近，但不足以将其完全转为p型。构建了单层Bi2O2Se光电器件并分析点缺陷对其光电性能的影响。结果显示，点缺陷的引入降低晶格的对称性，光电流得到显著提升。此外，器件消光比同时取决于点缺陷类型及光子能量，通过选择点缺陷在特定光子能量的照射下可以有效地提高器件的偏振灵敏度。研究结果为二维Bi2O2Se材料光电性能调控及其光电子器件应用提供理论参考。

关键词：第一性原理非平衡格林函数光电性质缺陷与掺杂

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基于缺陷结构的石墨烯纳米带电输运特性研究

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纺织高校基础科学学报 2019年第1期32卷 77-81,94页

作者：马越夏蔡娟西安工程大学理学院陕西西安710048

采用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理方法,研究具有缺陷结构的锯齿型石墨烯纳米带电输运性质。系统地分析不同形状(菱形和正方形)以及不同边长的缺陷对其电输运性质影响,为石墨烯分子器件电输运特性的调控设计提供有效... 详细信息

采用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理方法,研究具有缺陷结构的锯齿型石墨烯纳米带电输运性质。系统地分析不同形状(菱形和正方形)以及不同边长的缺陷对其电输运性质影响,为石墨烯分子器件电输运特性的调控设计提供有效的理论支持。研究表明,缺陷对石墨烯纳米带的电输运性质能起到明显的调制作用。在低偏压下完美的石墨烯纳米带的电流高于具有缺陷结构的石墨烯纳米带,而在高偏压下具有缺陷结构的石墨烯纳米带的电流则高于完美的石墨烯纳米带。对于菱形缺陷,边长越大电流越大;对于正方形缺陷,边长越大电流越小。同时,四原子边缘菱形缺陷结构在偏压区间1.0～1.5 V内显示出了负微分电阻效应。

关键词：石墨烯纳米带缺陷结构电子输运非平衡格林函数

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带帽碳纳米管分子开关

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科学通报 2010年第10期55卷 964-966页

作者：赵朋王培吉张仲刘德胜济南大学理学院济南250022 山东大学物理学院晶体材料国家重点实验室济南250100

利用非平衡格林函数和第一性密度泛函理论,研究了一维带帽碳纳米管分子开关器件的电子输运特性.结果显示,仅需要改变两管间距0.2nm,器件的透射谱就变化约两个数量级.并且,两管的构象对器件电子输运性质的影响非常小,从而提高了器件作为... 详细信息

利用非平衡格林函数和第一性密度泛函理论,研究了一维带帽碳纳米管分子开关器件的电子输运特性.结果显示,仅需要改变两管间距0.2nm,器件的透射谱就变化约两个数量级.并且,两管的构象对器件电子输运性质的影响非常小,从而提高了器件作为分子开关应用的稳定性。

关键词：碳纳米管分子开关非平衡格林函数密度泛函理论

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几种介观系统中自旋相关输运性质的研究

几种介观系统中自旋相关输运性质的研究

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作者：安兴涛河北师范大学

学位级别：博士

随着材料制备技术和超微细加工技术的研究进展,人们已经可以制备各种形式的介观器件,如铁磁/半导体/铁磁异质结、量子点等。这些低维介观系统中产生的许多新现象和新效应,如人工能带裁剪、量子尺寸效应和量子相干效应,受到了人们的广泛... 详细信息

随着材料制备技术和超微细加工技术的研究进展,人们已经可以制备各种形式的介观器件,如铁磁/半导体/铁磁异质结、量子点等。这些低维介观系统中产生的许多新现象和新效应,如人工能带裁剪、量子尺寸效应和量子相干效应,受到了人们的广泛关注。另一方面,随着半导体器件进一步向小型化发展,利用电子电荷的传统电子器件达到了其极限。因此,最近人们正在探索利用电子的另一特性——自旋来实现数据处理和数据存储,随之而出现一门新的研究领域,被称之为自旋电子学。在开发新型器件时,我们必须将微电子学与自旋相关效应综合起来考虑。自旋电子学器件不仅可以用来数据处理还可以用来数据存储,与传统的电子器件相比,它有很多潜在的优势,比如非易失性的数据储存、更快的数据处理速度、更低的能耗、更大的集成密度等。如果想利用自旋实现数据处理和存储,我们必须将自旋和现代半导体技术结合起来,这就产生了一系列有待于我们解决的问题,比如,自旋的注入与探测、自旋极化流的产生、自旋相关输运、自旋的控制和操纵。本论文中,我们首先综述了介观系统以及典型的介观现象,叙述了介观系统中的自旋相关输运性质,而后简单介绍了传递矩阵、散射矩阵、格点格林函数、非平衡格林函数等几种输运理论。最后研究了几种介观系统中自旋相关输运性质: 1.利用散射矩阵方法,研究了单模铁磁/半导体/铁磁异质结中的自旋输运性质。同时考虑铁磁体与半导体界面处存在δ型势垒、纵向量子尺寸效应、半导体中的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合以及铁磁体中磁化方向对输运性质的影响,我们得到了体系的自旋相关的透射几率和散粒噪声。 2.利用散射矩阵和模匹配技术研究了存在自旋轨道耦合的多模铁磁/半导体/铁磁异质结中自旋相关的电导和散粒噪声。我们发现自旋向上和自旋向下电子对电导和散粒噪声的贡献是不同的。当半导体通道的长度变短时,电导出现了平滑的量子平台。当参与输运的通道数目增加时,散粒噪声振荡,Fano因子受到抑制。我们还发现由自旋轨道耦合引起的子带间的混合对自旋相关的电导和散粒噪声有重大的影响。 3.研究了Dresselhaus自旋轨道耦合对铁磁/绝缘体/半导体/绝缘体/铁磁隧穿结中自旋输运性质的影响。研究结果表明:(a)减小绝缘层的厚度可以提高自旋极化率;(b)系统中隧穿磁电阻(TMR)的倒置是由Dresselhaus自旋轨道耦合引起的。而且发现考虑Dresselhaus自旋轨道耦合,当势垒中局域态的能量和铁磁电极中费米能相匹配时,系统中会发生TMR的倒置现象。 4.研究了嵌入到Aharonov-Bohm干涉仪中的平行双量子点中的自旋极化。系统中不存在磁场和磁性材料,而且只有量子点中存在自旋轨道耦合。我们发现即使在弱的自旋轨道耦合下自旋极化率也可以达到很大。通过改变自旋轨道耦合强度或量子点内的能级很容易调节自旋极化的强度和方向,而且当量子点内的能级相等时电子-电子互作用能够增强量子点内的自旋积累,当量子点内的能级不相等时电子-电子互作用不能增强量子点内的自旋积累。

关键词：介观系统自旋极化自旋轨道耦合传递矩阵非平衡格林函数

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Quantum Transport Modeling in Nano Transistors and Transistor Model Verification

Quantum Transport Modeling in Nano Transistors and Transisto...

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作者： Muhammad Imran Khan 中国科学技术大学

学位级别：博士

在过去的十年中,微纳电子的显著进步已经使MOSFET的沟道长度进入到十纳米量级。由于载流子输运的物理本质特征偏离了传统的输运方式,这一进步对器件的仿真提出了新的挑战。在器件和电路的性能中,准弹道输运和量子现象的影响变得越来越... 详细信息

在过去的十年中,微纳电子的显著进步已经使MOSFET的沟道长度进入到十纳米量级。由于载流子输运的物理本质特征偏离了传统的输运方式,这一进步对器件的仿真提出了新的挑战。在器件和电路的性能中,准弹道输运和量子现象的影响变得越来越重要。本论文研究的目的是分析准弹道输运的物理本质特性以及其对纳米器件仿真的作用。论文研究的第一部分由三个组成；一是要理清器件描述中准弹道输运的物理本质并回顾器件在准弹道体系下的输运模型；另一个是介绍MOSFET的势垒顶部的半经典弹道输运模型；最后是利用非平衡格林函数模型和半经典模型来探索短沟道纳米晶体管的弹道输运过程。通过仿真各种形状的DG MOSFET和短沟道纳米晶体管,上述技术问题都可以得到验证。本论文的仿真结果突出了不同形状晶体管的弹道输运的重要特性。在接下来的第二部分中,本论文提出了一种新的晶体管模型验证技术。这种技术可以帮助电路设计人员设计出高度集成度的数字CMOS电路并且其噪声可以被控制。该方法也是一种合适的高准确度晶体管模型选择的设计工具。本论文还分析了在给定频带内抑制高次谐波的产生的方法。在数字电路的切换中,会泄露谐波频谱,晶体管模型的好坏以及输入信号都会其产生影响。如果输入信号的边沿很陡,将会产生不连续性,在高频处的频谱分量会包含更多的能量。一个好的晶体管模型和边沿缓慢变化的信号可以减少不连续性,从而能控制高次谐波分量。这种不连续性的改善在65nm工艺上用BSIM4模型设计的触发器和锁存器中得到了很好的证明,至少是减小了噪声的干扰。

关键词：弹道输运非平衡格林函数金属氧化半导体场效应晶体管器件建模纳米晶体管 BSIM 谐波分析

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分子器件电子输运性质的第一性原理研究

分子器件电子输运性质的第一性原理研究

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作者：袁顺东南京邮电大学

学位级别：博士

本论文在阐述分子电子学产生背景和分子器件研究进展的基础上，应用当前最被认可的密度泛函理论和非平衡格林函数方法，深入研究了若干分子器件的电子输运性质，重点研究了基团取代、原子掺杂、电极-分子的接触类型、电极材料以及分子... 详细信息

本论文在阐述分子电子学产生背景和分子器件研究进展的基础上，应用当前最被认可的密度泛函理论和非平衡格林函数方法，深入研究了若干分子器件的电子输运性质，重点研究了基团取代、原子掺杂、电极-分子的接触类型、电极材料以及分子间的相互作用等因素对电子输运性质的影响。本论文主要研究内容包括以下四个部分：研究了噻吩二聚体在被硝基和氨基取代氢原子后形成的不同衍生物的电子输运性质。结果发现，对于噻吩二聚体及其氨基、硝基取代的分子，零偏压电导相差很大，且所有取代分子的电导依赖于其能级的高低。在含有氨基且其靠近分子末端的取代分子中，整流行为要比其他取代分子的显著。同时还研究了不同原子（C、N、O、S、Si和P原子）掺杂对噻吩二聚体电子输运性质的影响，结果显示，引入杂原子后分子结的电流均有所增强，且引入原子序数较小的杂原子比原子序数较大的杂原子更有利于电子的传输。分子的电导与它们的HOMO能级表现出了相关性，杂原子为电子在两个噻吩单体之间的传输提供了额外的通道。研究了bis-2-(5-ethynylthienyl)ethyne（BETE）分子及其衍生物分别连接于两金电极之间时的电子输运性质，重点讨论、比较了不对称电极分子接触和给体受体取代基团在单独或同时引入器件中时所引起的整流效果差异。结果发现：（1）双巯基末端吸附的分子结电流远大于单巯基末端吸附的分子结电流。这是因为在单巯基模型中，分子与电极之间存在一个相互作用很弱的Au H耦合，而在双巯基模型中，在分子两侧都具有很强的Au S共价键耦合。（2）在含有不对称接触和给体受体基团的模型中观察到了整流现象。对整流率的计算结果显示，电极分子接触的形式对我们的模型整流效果起到了至关重要的作用。另外，在具有不对称电极分子接触的分子整流器中，再另外引入给体受体基团并不会显著的增强其整流效果。对C59N分子结的电子输运性质进行了系统的研究，模型采用了金属电极以及不同管径的金属性碳纳米管电极，比较了电极的影响。同时也研究了C59N分子中N原子在两电极之间相对位置的不同对电子输运性质的影响。结果发现：（1）在固定C59N分子空间取向（氮原子靠近一端电极）的条件下，采用不同电极材料的分子结电流电压特征差异很大。其中，金属电极对于C59N分子的电导来说是性能很好的电极材料。对于以碳纳米管为电极的C59N分子结，尽管电导较小，但却展示出了比较显著的整流特征，而金属电极的分子结中整流特征则几乎可以忽略。（2）在金属电极的环境下，氮原子位置的不同并不会对电子输运性质产生明显的影响；而在以碳纳米管为电极的条件下，C59N分子结中会出现负微分电阻现象，并且氮原子在两电极之间处于某些特定位置时，可能会得到比较明显的负微分电阻效应。研究了两个平行的、不等长的、单巯基封端的碳链分别化学吸附于两个电极时组成的碳链双分子结电子输运性质，通过改变较短碳链的长度研究其对器件传输性质的调制作用。结果发现，较短分子对分子结的电导有着明显的增强作用。在其中一个分子长度确定的情况下，两个分子长度的差异对分子结的输运性质有着较大的影响，差异越大，分子结的整流效应越显著，体现了较短分子对传输性质的调制作用。同时还研究了分别由顺式聚乙炔（PA）与稠合吡咯三聚体（FP）分子构成的单分子结或双分子结的电子输运性质。结果发现，双分子结的电导一般比对应单分子结的要好；但在偏压较低时，单分子结与双分子结的电导相当。同时，存在相互作用的双分子电导也小于单分子电导的两倍。对不同排列方式（“面对面”FF与反“面对面”FFR）的双分子结输运特征进行比较发现，PA分子在FF排列方式下的电流大于FFR排列方式下的电流，但FP分子却与之相反。不同排列的双分子结的导电性能与各自的HOMO-LUMO能隙大小呈现出较好的相关性。

关键词：分子器件密度泛函理论非平衡格林函数电子输运分子整流负微分电阻电导

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两类分子自旋滤波器自旋输运特性的理论研究

两类分子自旋滤波器自旋输运特性的理论研究

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作者：魏朋北京大学

学位级别：博士

在分子自旋电子器件中，单个分子被用作自旋的输运通道，因此分子自旋电子学有可能成为一种可行的途径在单分子水平上控制和操纵自旋的量子输运特性。实现自旋极化是构建具有特定功能、性能良好且结构稳定的分子自旋电子器件的前提。在... 详细信息

在分子自旋电子器件中，单个分子被用作自旋的输运通道，因此分子自旋电子学有可能成为一种可行的途径在单分子水平上控制和操纵自旋的量子输运特性。实现自旋极化是构建具有特定功能、性能良好且结构稳定的分子自旋电子器件的前提。在本论文中，利用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法，分别设计了以金块体和单壁碳纳米管为电极的两类分子自旋滤波器，并重点研究了磁性分子和连接基团对以单壁碳纳米管为电极的分子自旋滤波器自旋输运特性的影响。\n 首先研究了通过-C≡C-、-CH=CH-、-CH2-CH2-、-CH2-这四种有机基团与金电极共价相连的苯分子的电子输运特性。理论计算结果表明，对于前三种连接基团，随着体系中π键的减少和σ键的增多，金-苯-金分子结在费米能级附近的透射系数依次减小。但对于亚甲基(-CH2-)连接基团，金-苯-金分子结在费米能级附近形成了一个透射系数很大且分布较宽的透射平台，其原因在于亚甲基的插入改变了金电极表面凸出金原子与苯分子平面的相对位置，从而大大增强了苯分子的π型前线分子轨道与金电极能带结构之间的耦合。可见，利用不同的连接基团能够有效地改变金-苯-金分子结的输运特性。因此，在苯分子两侧各增加一个-CN基团形成对苯二甲腈(p-dicyanobenzene，简写为DCB)，再将DCB分子分别通过Co或Fe磁性原子连接至金电极，发现这两种分子结均具有自旋滤波特性。特别是金-Fe-DCB-Fe-金分子结，不仅具有高达95%的自旋极化效率和自旋电流注入效率，而且费米能级附近少子通道的透射系数也达到0.61。\n 与金块体电极相比，单壁碳纳米管电极具有诸多优点，例如直径与典型的分子磁体尺寸相当从而有利于实现器件的高密度集成，并且易于大量获得高质量的单壁碳纳米管。更为重要的是，单壁碳纳米管中电子自旋的迟豫长度非常大，可用作具有弹道输运特性的自旋通道。但是，单壁碳纳米管本身是自旋简并的，需要磁性分子来实现自旋极化。因此，磁性分子以及分子与单壁碳纳米管之间的连接基团的选择对以单壁碳纳米管为电极的分子自旋电子器件的输运性质具有重要的影响。以Ni原子为连接基团，研究了二茂铁、二茂钴和二茂镍这三种金属茂络合物分子在单壁碳纳米管侧壁吸附对单壁碳纳米管自旋输运特性的调制作用。计算结果表明，Ni原子是一种较好的连接基团，因为Ni原子不但以很高的结合能吸附在单壁碳纳米管侧壁，而且既不改变单壁碳纳米管的自旋简并特性也几乎不改变单壁碳纳米管在费米能级附近的透射特性。当Ni原子进一步与金属茂络合物分子相结合时，Ni原子的态密度受金属茂络合物分子的调制从而引起碳管中的电子散射。特别是对于二茂钴和二茂镍分子，碳管的输运特性发生自旋极化，表明金属茂络合物分子与单壁碳纳米管相结合可用于构建未来的分子自旋电子器件。\n 最后以二茂镍分子为例，研究了化学上更容易实现的氮杂环丙烷(aziridinering)、吡咯烷(pyrrolidine ring)和酰胺基(amide group)这三种有机连接基团对侧壁吸附磁性分子的单壁碳管自旋输运特性的影响。计算结果表明，与吡咯烷和酰胺基不同，氮杂环丙烷不改变单壁碳管吸附位置处碳原子的sp2杂化性质从而对碳管费米能级附近的透射影响甚微。当二茂镍分子通过这些连接基团结合到单壁碳管侧壁后，单壁碳管均会表现出自旋极化的特性。但是，只有当氮杂环丙烷作为连接基团时，整个分子结的透射曲线才在费米能级附近出现较大的自旋极化。这表明氮杂环丙烷作为磁性分子与单壁碳管之间的连接基团能够使碳管呈现较好的自旋滤波特性。

关键词：分子自旋滤波器电子自旋输运有机基团密度泛函理论量子输运非平衡格林函数

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石墨烯及其衍生结构光电性质的第一性原理研究

石墨烯及其衍生结构光电性质的第一性原理研究

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作者：杨玉娥南京航空航天大学

学位级别：博士

自从2004年被成功制备以来,石墨烯由于其优异的物理化学性质一直是全世界研究的热点。但二维石墨烯的零带隙半导体属性在很大的程度上限制了它的实际应用。为了拓宽石墨烯的应用领域以及让它可以真正有效应用到将来的纳电子器件中,研究... 详细信息

自从2004年被成功制备以来,石墨烯由于其优异的物理化学性质一直是全世界研究的热点。但二维石墨烯的零带隙半导体属性在很大的程度上限制了它的实际应用。为了拓宽石墨烯的应用领域以及让它可以真正有效应用到将来的纳电子器件中,研究者们采取各种方法实现了对石墨烯的改性与调控,具有诸多新颖性能的石墨烯衍生结构不断的被制备出来,极大的拓展了石墨烯的应用领域,对综合开发利用石墨烯有很重要的意义。基于此,我们在本论文中利用密度泛函理论及非平衡格林函数的方法,研究了两种重要的石墨烯衍生结构——石墨烯纳米带及石墨烷的掺杂效应、光学性质及输运特性,得到了一些有意义的结果。本论文的主要内容如下:第一章,介绍了石墨烯及其典型衍生结构的物理化学性质和应用,同时给出了本论文的研究工作概述。第二章,介绍了本论文的理论基础、计算方法及相关软件。第三章,探讨了Fe吸附原子对锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)的输运性质的调制效应。计算结果显示,ZGNR的输运性质对Fe原子的吸附位置非常敏感。当Fe原子吸附在ZGNR的边缘时,它对输运性质的调制最显著。随着Fe原子从ZGNR的边缘处向中心移动,它对输运性质的影响呈递减的趋势。另外,我们还发现Fe吸附原子对ZGNR的自旋向下通道的影响比自旋向上通道大,因此产生了高的自旋极化率,实现了自旋极化输运。第四章,我们研究了Li原子对石墨烯及其衍生结构石墨烷构成的石墨烷/石墨烯联合体系的掺杂效应。我们构建的体系是在四层石墨烯上面放置(1～4)层的石墨烷。利用Bader程序分析了体系的电荷分布,我们发现Li原子提供的绝大部分的转移电荷都分布在最上面的石墨烷层中,内部的石墨烯片层几乎接收不到转移电荷。这表明石墨烷层是可以屏蔽外部电荷的,这和经典的静电屏蔽效应是吻合的。并且,这种现象并不随着石墨烷层数的增加而变化。进一步的机理分析阐明:联合体系的层间静电相互作用和最上面石墨烷层中的近自由电子态在该体系的电荷分布中扮演了很重要的角色。第五章,我们分别对石墨烷纳米带的光学性质和输运性质进行了研究。在光学性质方面,我们发现锯齿型和扶手型石墨烷纳米带的介电函数虚部谱线和石墨烷本身的非常相似,它们都呈现出光学各向异性。并且石墨烷纳米带的光学性质还不依赖于纳米带的宽度及边缘特点。这种性质主要归结于所有石墨烷纳米带中的碳原子均是sp3成键,能态结构的轨道贡献都非常相似,因此满足相同的光学跃迁定则,呈现出相似的光学性质。这种光学性质的特殊共性使我们在实际应用中不需要制备特定宽度和边界形状的石墨烷纳米带。在输运性质方面,我们构建的是以石墨烷纳米带为中间势垒层的磁性隧道结。通过计算磁性隧道结在平行结构和反平行结构下的电流电压曲线,我们发现电流在不同结构时对偏压的响应是不一样的:在平行结构时,电流随着偏压的增加先增大后减小,出现了负微分电阻现象;而在反平行结构时,电流则随着偏压的增加而逐渐增大。这两种结构下的不同电流——电压响应导致产生了高达7700%的隧穿磁电阻,并且还出现了正负磁电阻的反转现象。通过分析不同偏压下的透射谱,我们阐明了这种现象产生的物理机制。第六章,对本论文的工作进行了总结以及对将来研究工作的展望。

关键词：石墨烯衍生结构掺杂光学性质电子输运密度泛函理论非平衡格林函数

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