检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：何晶晶南京邮电大学

学位级别：博士

随着半导体行业对器件小型化的要求及纳米科学技术的蓬勃发展,石墨烯及不断出现的类石墨烯二维材料引起了人们广泛的研究兴趣。这些二维材料由于只有单原子层厚度,表现出了与块材迥异的物理性质,给半导体行业带来了新的发展机遇,背后隐... 详细信息

随着半导体行业对器件小型化的要求及纳米科学技术的蓬勃发展,石墨烯及不断出现的类石墨烯二维材料引起了人们广泛的研究兴趣。这些二维材料由于只有单原子层厚度,表现出了与块材迥异的物理性质,给半导体行业带来了新的发展机遇,背后隐含的物理机制也受到人们不断的挖掘。本文采用密度泛函理论结合非平衡格林函数的方法,研究了石墨烯及几种石墨烯氮化材料的电子结构及输运性质,发现了电子结构的有效的调控手段及有趣的电子输运现象,阐述了现象背后的物理机制,为纳电子器件的设计和应用提供了良好的备选。利用锯齿形石墨烯纳米带对边缘结构非常敏感的特点,不同于已报道的边缘修饰异质原子或者边缘碳环重构的调控方法,本论文首次将线性碳链垂直生长于纳米带的边缘,使碳链并不是沿着电子传输的方向,而是垂直于电子传输的方向,构建了新的纳电子器。发现电子输运性质与碳链的原子数密切相关且具有奇偶性,这主要来源于奇偶数碳链中的双键和单三键相间两种碳碳键型,前者破坏了纳米带的σ操作对称性,使得费米能级附近的能带可以互相耦合,电流变大。本研究实现了通过碳链中碳原子数目对电子输运进行有效调控目的。利用二维C2N材料中分布C、N两种异质原子和孔洞的结构特点,将其剪裁成边缘形貌各异的锯齿形和扶手椅形纳米带,通过结构自身的边缘形貌和边缘异质原子修饰这两种手段实现对C2N纳米带的电子结构的有效调控,并构建由不同宽度纳米带构成的和由不同电子性质纳米带构成的纳电子器件,实现了偏压调控的金属和绝缘体之间的转换,发现了负微分电阻效应、多重负微分电阻效应、整流等有趣的电子输运现象,整流比高达1010。此外,由于C2N结构中均匀分布孔洞,比较适合功能化,于孔洞中心进行过渡金属原子掺杂,实现了对C2N纳米带的电子结构和磁性的有效调控,并将自旋极化率提高至100%,为C2N未来的器件应用提供基础的理论指导。二维C3N材料和C2N材料比较相似,都有C、N两种异质原子,但是前者不存在较大的孔洞,因此二维的C3N剪裁成纳米带后的边缘形貌主要取决于边缘原子的种类,本论文着重研究边缘原子种类对C3N纳米带电子结构的调控,发现C3N纳米带是否为半导体取决于氮原子是否同时出现在上下边缘。通过将不同边缘种类的纳米带构建成台阶式双极型器件,研究了边缘种类、台阶大小和界面势垒对电子输运现象的影响,发现了整流二极管行为、负微分电阻效应等有趣的物理现象。C3N材料的简单剪裁方法和丰富的电子输运性质有利于其在纳米电子器件领域的应用。

关键词：石墨烯 C2N C3N 密度泛函理论非平衡格林函数电子输运

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以石墨烯为电极的有机噻吩分子整流器的设计及电输运特性研究

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物理学报 2017年第9期66卷 325-332页

作者：俎凤霞张盼盼熊伦殷勇刘敏敏高国营武汉工程大学理学院武汉430205 华中科技大学物理学院武汉430074

传统硅基半导体器件受到了量子尺寸效应的限制,发展分子电子学器件有可能解决这一难题.本文提出了由石墨烯电极和有机噻吩分子相结合构造分子器件的思想,建构了"石墨烯-噻吩分子-石墨烯"结构的分子器件,并运用非平衡态格林函... 详细信息

传统硅基半导体器件受到了量子尺寸效应的限制,发展分子电子学器件有可能解决这一难题.本文提出了由石墨烯电极和有机噻吩分子相结合构造分子器件的思想,建构了"石墨烯-噻吩分子-石墨烯"结构的分子器件,并运用非平衡态格林函数结合密度泛函理论的方法研究了其电输运特性.系统地分析了电子给体"氨基"和电子受体"硝基"两种取代基的位置对有机噻吩分子电输运的影响.计算表明,有机噻吩二聚物被"氨基"和"硝基"取代后会产生明显的负微分电阻效应和整流效应.进一步对产生这些效应的物理机制进行分析,发现氨基的位置可以调整负微分电阻的强弱,硝基的位置可以改变整流的方向.

关键词：分子电子学非平衡格林函数石墨烯噻吩

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有机铅卤钙钛矿光电特性的理论研究

有机铅卤钙钛矿光电特性的理论研究

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作者：毕富珍中国科学技术大学

学位级别：博士

近年来,以钙钛矿（ABX3）为吸光材料的太阳能电池以其优越的光电性能和简单的制备工艺受到了研究者的青睐,其中研究最广泛,发展最迅速的为有机无机杂化钙钛矿太阳能电池。有机钙钛矿具有高吸收系数、可调的直接带隙、长载流子弥散长度... 详细信息

近年来,以钙钛矿（ABX3）为吸光材料的太阳能电池以其优越的光电性能和简单的制备工艺受到了研究者的青睐,其中研究最广泛,发展最迅速的为有机无机杂化钙钛矿太阳能电池。有机钙钛矿具有高吸收系数、可调的直接带隙、长载流子弥散长度、低激子结合能以及均衡的电子空穴迁移率。目前,经过NERL认证的最高光电转换效率（PCE）已经超过22%。提高有机钙钛矿太阳能电池PCE的常用策略包括A,B,X位点离子的组分调控,电子和空穴传输材料的改善以及优化设计电池结构。虽然实验室中的PCE增长迅速,但是仍然存在很多关键因素限制其进一步发展,例如,器件的稳定性,Ⅰ-Ⅴ曲线的回滞行为,昂贵的有机空穴传输材料（例如Spiro-OMeTAD）,钙钛矿薄膜的大面积制备,铅毒性等。为进一步提高PCE,必须充分解决这些问题。随着实验的发展,大量的理论研究已用于解释有机钙钛矿光电特性的内在机制。目前使用最广泛的理论方法为密度泛函理论（DFT）,基于DFT的电子结构计算已经帮助我们深入理解了有机钙钛矿优异光电特性的物理站础,例如合适的带隙,双极传输性,高吸光系数,可控掺杂特性,缺陷容忍性,铁电性,离子迁移,界面和表面,和几何结构特性等。尽管已经取得了大量的研究成果,但是由于有机钙钛矿的多样性和复杂性,仍然有很多特性没有完全理解,需要利用新的理论是实验方法进一步研究。紧束缚密度泛函方法（DFTB）是DFT方法的一种近似,其较高的精度和更快的计算效率,为实现真实器件结构的模拟提供了可能。此外,非平衡格林函数方法（NEGF）是研究开放体系电子输运性质的有力工具。因此,DFTB结合NEGF方法为我们进一步认识有机钙钛矿太阳能电池的,电子传输机制开辟了新的道路。充分理解有机钙钛矿内部电子传输机制,不仅有助于进一步改善太阳能电池的性能,而且为开发设计更简单和/或更高效的新材料和器件结构提供思路。本论文主要探索有机铅卤钙钛矿的结构和性质,重点研究有机阳离子对其结构和性质的影响。通常使用的有机阳离子为非屮心对称结构,具有永久偶极矩,理论研究表明其转动势垒很低,在无机骨架中可以很容易的发生转动和迁移,因此具有形成铁电偶极序的能力,从而影响有机铅卤钙钛矿太阳能电池对外加电压的响应和电子/空穴的传输。此外不同种类有机阳离子的混合对有机铅卤钙钛矿的稳定性也有重要影响。基于目前有机铅卤钙钛矿的理论研究成果,本文系统研究了有机阳离子的重要作用。本论文的主要工作有:（1）研究表明钙钛矿中铁电畴的出现对其电子结构产生重要的影响。本文中,我们使用DFTB+NEGF方法研究铁电畴对甲胺铅碘钙钛矿（MAPbI3）的电子输运性质和载流子复合率的影响。研究发现,伴随着铁电畴的出现,钙钛矿的,带隙减小,电导显著增加,同时在铁电畴局域电场的作用下电子和空穴的传输通道发生分离。此外,通过考虑电子与真空中光子的相互作用,我们计算了电子-空穴的复合率。计算结果表明,由于载流子传输通道的分离,具有铁电畴的钙钛矿中电子-空穴的复合受到极大的抑制,因此铁电畴的形成增强钙钛矿的光电特性。（2）有机铅卤钙钛矿APbX3的稳定性是制约其应用的重要因素,对APbX3钙钛矿中A和X采用不同种类离子混合的化学组分调控是改进其稳定性最有效的方式之一。其中,A位点采用不同比例的甲脒离子（FA）,甲胺离子（MA）,CH（NH2）2+,Cs+,Rb+,B位点采用Pb2+,Sn2+等,X采用I-,Br-,Cl-是当前研究的热点方向。本文通过第一性原理计算,系统的研究了FA1-xMAxPbI3体系的结构和光电性质。研究发现FA与MA的混合增加体系的稳定性,,其中FA0.5MA05PbI3最稳定。通过分析不冋混合比例的结构,揭示了晶格常数随x的增加线性减小;以及带隙随x减小而线性增加。此外,计算结果发现MA所占比例增加时吸收光谱蓝移。综上,通过FA和MA离子的不同比例混合不仅可以有效调控钙钛矿的光电性质,更重要的是提高电池的稳定性,因此进一步探索钙钛矿中不同有机/无机离子的混合具打重要的意义。

关键词：有机无机杂化钙钛矿光电转换效率紧束缚密度泛函理论非平衡格林函数铁电性电子输运化学组分调控

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基于石墨烯电极分子器件的电输运性质研究

基于石墨烯电极分子器件的电输运性质研究

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作者：杨爱云西安工程大学

学位级别：硕士

随着微电子学和集成电路的不断发展,利用单分子及原子团簇来构筑电子线路的各种元器件已成为电子器件不断小型化的最可能的发展趋势。近年来,人们通过各种各样的实验手段,如自组装膜(SAMs)和有机分子束外延生长(OMBE)等技术和隧道扫描... 详细信息

随着微电子学和集成电路的不断发展,利用单分子及原子团簇来构筑电子线路的各种元器件已成为电子器件不断小型化的最可能的发展趋势。近年来,人们通过各种各样的实验手段,如自组装膜(SAMs)和有机分子束外延生长(OMBE)等技术和隧道扫描显微镜(STM)以及原子力显微镜(AFM)等相结合,设计和测量了单分子器件,发现分子具有开关作用、负微分电阻(NDR)效应以及整流效应等一系列重要特征,这些研究为利用分子来实现电子器件的功能化打下了坚实的基础。然而在实验研究中,由于与电极相比,分子是尺度很小的体系,因此外界因素的变化对分子器件构型会有显著的影响,而分子器件构型的变化又直接决定着分子的电学性质。因此研究分子器件构型的改变包括分子的几何结构以及分子与电极界面结构等对分子电输运性质的影响有着极其重要的作用。本论文拟采用密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)相结合的第一性原理计算方法,以石墨烯纳米带(GNRs)作为电极材料,选取二吡啶-苯环(dipyrimidinyl–diphenyl)和具有光/热转化性能的二氢甘菊环/乙烯基庚富烯(dihydroazulene/vinylheptafulvene即DHA/VHF)分子体系作为研究对象,构建了石墨烯电极/有机小分子/石墨烯电极三明治结构体系,系统地研究了分子器件结构的改变与分子电输运性质之间的关系以及影响分子器件电输运性质的相关因素,其中重点研究了分子间的扭转角和分子与电极间可能的接触结构改变对分子器件电输运性质的影响,本论文主要包括以下五个章节的内容:第一章为综述部分,主要介绍了分子电子学产生的背景、分子器件的研究意义以及石墨烯的结构特征和电子结构,最后给出了本论文的主要研究内容。第二章给出了本论文所采用的理论方法。介绍了密度泛函理论与非平衡格林函数方法,以及求解分子器件中电子输运特性的一般处理过程和理论方法。第三章以裁剪的扶手椅型石墨烯纳米带(AGNRs)作为分子器件的电极,系统地研究了二吡啶-苯环二嵌段分子体系间的扭转角对分子器件电输运性质的影响。研究结果表明二嵌段分子间扭转角的改变对分子器件电输运性质有显著的影响,当分子间的扭转角从0°旋转到90°时,分子结的电流-电压特性具有显著的变化即0°时的电流值高于90°时的电流值,预示着当二嵌段分子间扭转角发生改变时,分子将从一个高电导态向低电导态转变,从而使分子呈现出独特的开关效应。第四章以锯齿型石墨烯纳米带(ZGNRs)作为分子器件的电极,研究了分子与电极之间不同的连接方式即分别以酰胺端基和碳原子作为末端原子与石墨烯电极连接时对二氢甘菊环/乙烯基庚富烯分子体系电输运性质的影响。二氢甘菊环(DHA)和乙烯基庚富烯(VHF)具有光/热转化性能,分子能在DHA和VHF之间相互转换。通过研究发现当分子在DHA和VHF之间转换时,通过碳原子作为末端原子连接时其开关比较大,并且随着电压的增加呈上升趋势;而通过酰胺端基作为末端原子连接时其开关比较小,并且随着电压的增加呈现振荡趋势,并且通过酰胺端基连接的VHF分子结在偏压0.72 V到0.8 V范围内可以观察到显著的NDR特性。第五章对全文工作进行了全面总结,并对分子器件的发展进行了展望。

关键词：分子电子学分子器件石墨烯非平衡格林函数电输运特性

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门电压调控下内嵌金属硼富勒烯的量子输运性质研究

门电压调控下内嵌金属硼富勒烯的量子输运性质研究

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作者：邓伟深圳大学

学位级别：硕士

近年来,具有稳定的类足球烯结构的硼富勒烯获得了广泛的研究关注。在硼富勒烯内部封装金属原子形成的内嵌金属硼富勒烯,结构更加稳定,并具有许多优良的物理化学性质,在纳米电子学、化学催化等领域有潜在的应用前景。本论文结合密度泛函... 详细信息

近年来,具有稳定的类足球烯结构的硼富勒烯获得了广泛的研究关注。在硼富勒烯内部封装金属原子形成的内嵌金属硼富勒烯,结构更加稳定,并具有许多优良的物理化学性质,在纳米电子学、化学催化等领域有潜在的应用前景。本论文结合密度泛函理论、非平衡格林函数以及散射矩阵等方法,研究了铝导线连接内嵌氮化三钪分子硼富勒烯(Sc3N@B80)系统的量子输运性质。在研究中考虑了内嵌氮化三钪分子相对输运方向垂直和平行两种构型,并详细讨论了门电压对系统量子输运性质的影响。研究工作主要分为两个部分:第一部分研究了系统在导通状态下的输运性质。两种构型下系统的静电学性质相同,门电极与中间区的电化学电容相等。导通状态下两种构型的输运性质类似,且可被门电压有效调控。对电荷弛豫电阻和电荷分布电阻的计算结果表明导通状态下系统的电荷涨落很小。在正门电压区域,费米能处的有效电阻相对门电压表现出负微分行为。第二部分研究了系统在隧穿状态下的输运性质。隧穿状态下,两种构型系统的透射系数和态密度的共振峰位置差异明显,表明隧穿状态下内嵌的氮化三钪分子的微观构型可以显著影响系统的输运性质。系统的有效电阻在共振能级处得到极大增强。氮化三钪分子平面与输运方向垂直的系统的输运性质可被门电压有效调控并呈现出开关、负微分等行为。而内嵌分子平面与输运方向平行的系统对门电压不敏感。

关键词：内嵌金属硼富勒烯非平衡格林函数密度泛函理论量子输运特性

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锑烯气体传感器传感机理的理论研究

锑烯气体传感器传感机理的理论研究

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作者：蒙瑞燊桂林电子科技大学

学位级别：硕士

以石墨烯为代表的二维材料在近十多年来得到了广泛的研究，它们独特的结构、机械、电学和光学等特性使它们在能量存储、太阳能转换、逻辑器件、发光器件、传感器等很多领域都有潜在的应用价值。随着材料制备技术的不断进步，越来越多的... 详细信息

以石墨烯为代表的二维材料在近十多年来得到了广泛的研究，它们独特的结构、机械、电学和光学等特性使它们在能量存储、太阳能转换、逻辑器件、发光器件、传感器等很多领域都有潜在的应用价值。随着材料制备技术的不断进步，越来越多的二维材料在实验上得到了制备，为它们的研究和大规模应用奠定了基础。同时，基础理论的完善以及计算能力日益增长也使得基于这些新型二维材料的器件设计变得更加简单高效。本文以第一性原理为基础，从原子尺度上系统地探索新型二维本征锑烯及其掺杂、缺陷结构的气体分子（常见大气气体分子CO2、H2O和O2;以及污染物/有害气体气体分子CO、H2S、NH3、SO2、NO和NO2）吸附行为，同时结合非平衡格林函数方法对其传感性能进行评估，为基于锑烯的气体传感器设计及其传感机理的研究提供理论基础。主要研究结果如下：　　（1）在本征锑烯吸附体系中，SO2、NO、NO2的吸附能随层数的增加变化最大，说明这三种气体的吸附容易受到层数的影响，其它气体的则对层数不敏感。　　（2）在本征、掺杂和缺陷型锑烯的吸附体系中，都有气体分子的吸附强度对气体浓度、掺杂浓度和缺陷浓度的变化做出响应。一般来说与吸附剂相互作用强的气体对浓度的变化较为敏感，但是吸附类型没有因此发生本质的改变。　　（3）掺杂和缺陷的引入能有效地提升本征锑烯的化学活性和导电性，进而使其适用于某些气体的探测。　　（4）输运计算结果表明，本征锑烯对于 NO 和 NO2 的最高灵敏度分别高达6.26×107、4.58×107，比NH3和SO2的要高四至五个数量级;B、Si、N、S原子掺杂型锑烯分别适合用于探测SO2、NH3和CO、H2O和CO2、H2S和NO2气体，而缺陷型锑烯适合用于探测SO2和H2S气体分子。其中灵敏度最高的是Si-Antimonene，它对NH3的灵敏度达到~1416。虽然本征锑烯对SO2和NH3的灵敏度更高，但是本征锑烯的弱导电性使得这些气体的吸附所引起的电流增加不明显。而原子掺杂或者缺陷的引入使得吸附体系的电流较吸附前变化更明显，也更容易被检测到，对检测设备的精度要求较低。所以掺杂、缺陷型锑烯更适合用于检测除NO、NO2之外的气体。　　（5）气体吸附强度与气体分子和吸附剂在费米能级附近的轨道杂化有关;而吸附体系电学性质的变化和气体分子在费米能级附近有无贡献电子态或者分子的吸附能否改变体系在费米能级附近的态密度有关。一般来说，由于存在电荷转移，气体分子的吸附会改变不同类型锑烯中Sb原子的空穴浓度。如果Sb原子的空穴浓度升高，则体系的导电性升高;如果空穴浓度降低，则体系的导电性降低。

关键词：锑烯气体传感器气体吸附传感机理密度泛函理论非平衡格林函数

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石墨烯纳米带及其场效应管的电子输运特性研究

石墨烯纳米带及其场效应管的电子输运特性研究

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作者：孙玉南京理工大学

学位级别：硕士

石墨烯纳米带作为一种新型碳纳米材料,由于尺度达到了纳米级而出现一些奇特的性能,并可通过控制其几何构型或掺杂来调节其电子输运性能。这意味着对石墨烯纳米带的研究对于下一代新型纳米电子器件的制作与分析具有重要意义。本文研究的... 详细信息

石墨烯纳米带作为一种新型碳纳米材料,由于尺度达到了纳米级而出现一些奇特的性能,并可通过控制其几何构型或掺杂来调节其电子输运性能。这意味着对石墨烯纳米带的研究对于下一代新型纳米电子器件的制作与分析具有重要意义。本文研究的主要内容是石墨烯纳米带和由石墨烯纳米带构成的场效应管的电子输运特性分析,分为两个方面:(1)基于密度泛函理论与非平衡格林函数方法,研究了石墨烯纳米带的电子输运特性,分析了不同手性、不同宽度、不同原子边界饱和的石墨烯纳米带以及静电掺杂对其输运特性的影响,分析对比了能带图、电子态密度、电子传输谱以及伏安特性曲线。结果发现锯齿形(ZGNR)表现出良好的金属性,而扶手形(AGNR)则反映出半导体性;ZGNR的宽度越大,对电流抑制区间的越大,AGNR的宽度越大,其导通电压的值越小。(2)采用了纳米半导体器件的多尺度仿真方法,基于密度泛函理论提取体系哈密顿量,利用最局域化方法构建紧束缚哈密顿量。实现了对真实纳米电子器件的性能预测,分析了石墨烯纳米带场效应管的输运特性,包括不同沟道宽度、不同原子边界饱和的影响。结果发现不同原子的边界饱和的相比较于沟道宽度,更加能调制石墨烯纳米带场效应管的输运特性。

关键词：密度泛函理论多尺度仿真非平衡格林函数石墨烯纳米带石墨烯场效应管电子输运特性

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几类单层纳米材料电子输运性质的理论计算

几类单层纳米材料电子输运性质的理论计算

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作者：张梦君河南师范大学

学位级别：硕士

二十世纪初,电子二极管的出现开启了电子科学发展的黄金时代,集成电路的出现开拓了电子器件微型化的道路。随着电子技术的快速发展,对电子器件的集成度要求越来越高,传统电子器件已经难以满足人们的发展要求。因此,纳米与分子器件的研... 详细信息

二十世纪初,电子二极管的出现开启了电子科学发展的黄金时代,集成电路的出现开拓了电子器件微型化的道路。随着电子技术的快速发展,对电子器件的集成度要求越来越高,传统电子器件已经难以满足人们的发展要求。因此,纳米与分子器件的研究具有重要意义。低维纳米系统,例如石墨烯、单分子磁体、异质结等,会呈现出类似微电子器件的特性,如负微分电阻特性、限流特性、场效应晶体管特性等。本论文主要运用非平衡格林函数和第一性原理计算相结合的方法探索了几类单层纳米材料的电子输运性质,这些体系包括异质结,边缘修饰或掺杂的纳米带等。主要工作由以下几部分组成:1.探索了类磷烯锯齿型MX（M=Ge/Sn,X=S/Se）纳米结构的电子输运性质。GeS和GeSe纳米带具有非常相似的电子传输性质,其电压–电流曲线表现出负微分电阻效应,与带宽没有明显的依赖关系。电流通过GeS和GeSe纳米带时主要沿金属边缘传播。SnS纳米带表现出限流效应。SnSe纳米带在较低的电压下呈现出现负微分电阻效应。2.研究了锯齿型蓝磷纳米带（ZBPNRs）的电子输运性质,ZBPNRs的两个边缘被不同的官能团修饰（即-H,-O和-OH）。这些官能团可以调整ZBPNRs的电子输运性能。蓝磷加氢（ZBPNRs-H）表现出半导体性质,其带隙不随着带宽变化。蓝磷边缘被氧化（ZBPNRs-O）时表现出金属性,其电流–电压曲线表现出负微分电阻效应,且与其带宽无关。边缘加羟基的蓝磷纳米带（ZBPNRs-OH）为直接带隙半导体。3.研究了锯齿型二硫化钼纳米带（ZMoS2NRs）的电子传输性质。ZMoS2NRs的电流–电压曲线表现出负微分电阻效应,并且与纳米带宽度无关。通过ZMoS2NRs的电流主要沿着Mo原子边缘,具有两个不同的局部电流通道（Mo→Mo跳跃电流和S→Mo→S键电流）。当在低偏压下引入Mo边缘处的Mo空位缺陷时,电流将被抑制,而在高偏压下,另一个S边缘通道被打开,通过缺陷的ZMoS2NRs的电流将稍微增加。4.介绍了几种锯齿型MoS2-WS2横向异质结的电子输运性质。各种MoS2-WS2横向异质结显示出类似于原始MoS2和WS2纳米带的电流–电压特性,并且它们显示出奇特的负微分电阻效应。电子总是沿着金属边缘传播。结果表明这种过渡金属二硫化物异质结可以作为负微分电阻器件的候选材料,并且在纳米器件中具有潜在的应用价值。

关键词：纳米材料电子输运密度泛函理论非平衡格林函数负微分电阻

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基于二维半导体的纳米晶体管仿真与设计

基于二维半导体的纳米晶体管仿真与设计

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作者：郑薇电子科技大学

学位级别：硕士

随着半导体制造加工技术的不断发展,MOSFET的特征尺寸也随之减小到纳米数量级,纳米MOSFET开始出现一系列量子效应。研究必须考虑建立新的输运方程来更好的和实验结果吻合,前人在这方面做出了很多的工作和努力,在本文中主要介绍了在纳米... 详细信息

随着半导体制造加工技术的不断发展,MOSFET的特征尺寸也随之减小到纳米数量级,纳米MOSFET开始出现一系列量子效应。研究必须考虑建立新的输运方程来更好的和实验结果吻合,前人在这方面做出了很多的工作和努力,在本文中主要介绍了在纳米器件数值仿真模拟的中主要的介观输运理论:Landauer-Büttiker电流公式和NEGF理论。近些年来,二维材料TMDC由于其独特的可被剥离成二维类石墨烯结构的特性以及它们良好的静电特性得到人们的广泛关注。其中一些单层的TMDC材料因其具有较大的本征带隙,可制作高开关比、低功耗的场效应晶体管。在极小尺寸的纳米MOSFET中,可以采用多栅结构来增强栅极对MOSFET器件沟道的控制能力,减小短沟道效应对器件性能的影响。本文在分析二维材料在纳米MOSFET的中的弹道输运机理的基础上,,通过对沟道为二维材料半导体的器件进行电子输运性质的仿真,为二维材料纳米MOSFET的电子输运物理机制提供一些有价值的理论支持和参考。首先,构建纳米MOSFET的NEGF模型,进行纳米MOSFET的量子建模,通过研究模型中的主要参数对其输运特性的影响,分析器件所需的纵向结构参量（栅氧化层介电常数及其厚度等）和横向结构参量（不同沟道长度和掺杂浓度等）对其的影响,将所涉及的器件进行优化得到所需的最优参数。本文发现,在仿真沟道长度在5 nm以下的在双栅结构纳米MOSFET中,可以采用掺杂浓度摩尔分数为:0.005和0.01。对于栅氧化层适宜选取介电常数相对较高的高K材料例如HfO2,其厚度可以选择我2 nm。其次,本文对比了传统的MOSFET与无结型场效应晶体管（JLFET）的电学特性,研究发现JLFET由于其在沟道上没有PN结的结构,漏端电压对其沟道耗尽区的影响较弱,因此JLFET的DIBL因子较小,短沟道效应对器件的影响比传统的MOSFET更小,亚阈区摆幅表现也更加良好。当选取沟道长度为5 nm的JLFET和传统MOSFET进行对比仿真可以得到,JLFET的亚阈区摆幅为81 mV/dec,而传统MOSFET的约为97 mV/dec。同时,本文基于沟道长度在5 nm及以下的JLFET和隧穿型场效应晶体管（TFET）研究了不同有效质量和能带带隙对器件的影响,旨在找到在沟道长度在5nm及以下的纳米场效应晶体管中性能表现优异的沟道材料。本文发现,在14种化合物中,MoX2（X=S、Se和Te）可用于JLFET器件中,对于5 nm的沟道长度,这几种化合物的JLFET的亚阈区摆幅可以减小到大约为70m V/dec;对于3nm,则可以减小到约80mV/dec;开关电流比也可达到5×10～4;延迟减小到7 ps,并且PDP小于18 fJ/μm,实现良好的亚阈区摆幅和开关电流比。在TFET数值仿真中,为了使泄漏电流降低到IOFF=10-5μA/μm,利用这些材料参数可以得到当有效质量为0.35-0.5 m0之间,能带带隙在0.6 V-1.0 V之间的二维材料TFET能达到目标。即ZrSe2可用于TFET中将泄漏电流减小到电路级仿真的目标泄漏电流范围内。最后,本文研究了利用基于从头计算的多尺度模拟包的纳米器件性能的通用仿真框架,该框架结合了几个强大且广泛使用的开源代码,基于密度泛函理论计算得到的最小但化学上精确的紧束缚哈密顿量,并使用最大局部化Wannier函数来表示电子态。然后在非平衡格林函数形式中计算输运性质。

关键词：介观输运非平衡格林函数量子建模无结型场效应晶体管隧穿场效应晶体管二维层状过渡金属硫族化物

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耦合有Majorana束缚态的并联介观电路的输运特性

耦合有Majorana束缚态的并联介观电路的输运特性

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作者：张雅静东北大学

学位级别：硕士

近年来,由于Majorana费米子具有非阿贝尔统计的独特性质并且可以应用于拓扑量子信息运算,很多课题组已经对Majorana费米子与超导体异质结的输运性质进行探究,发现在Majorana费米子的边缘态产生的交叉Andreev反射处于受抑制状态等现象。... 详细信息

近年来,由于Majorana费米子具有非阿贝尔统计的独特性质并且可以应用于拓扑量子信息运算,很多课题组已经对Majorana费米子与超导体异质结的输运性质进行探究,发现在Majorana费米子的边缘态产生的交叉Andreev反射处于受抑制状态等现象。同时在实验中,通过在半导体量子线或s-波超导体中施加磁场,在其两端可以得到Majorana束缚态,该束缚态与电子自旋—一轨道耦合作用、超导电性、Fano效应等有密切联系,因此探究Majorana束缚态在介观体系的运输特性变得更加重要。本文中,我们以非平衡格林函数法和散射矩阵法为基础,首先从理论上研究了 Majorana束缚态耦合到一个多量子点体系的电子运输性质,其中一维量子点链的终端点被置于Aharonov-Bohm(AB)干涉仪的两臂中。没引入Majorana束缚态的情况下,我们知道在奇数(偶数)点的结构中,它的所有偶数(奇数)分子态具有与引线退耦合的机会,该过程中,发生了与不具有末端点的子分子的奇数(偶数)数量的特征能量一致的反谐振。当引入Majorana零模式横向耦合到终端点时,反共振和退耦合现象仍然共存于量子传输过程中。接下来,我们进一步设计了三个Majorana-Fano干涉器来研究Majorana束缚态在介观电路中的输运性质。计算出这三个干涉器的交叉Andreev反射和局域Andreev反射电导表达式并进行了相应的数值计算。在研究局域磁通对输运性质的影响时,我们发现在低能激发态下,每种模型受Majorana束缚态驱动的交叉Andreev反射发生量子干涉相长,局域Andreev反射会被抑制发生量子干涉相消。我们发现每个电导谱也存在一些其他独特的性质,主要是体现在零偏压处的电导值。此外,我们通过调控Majorana束缚态之间的耦合强度和Majorana束缚态与电极之间的耦合强度分析Fano因子,发现该过程可以有效的调节体系的Andreev反射行为。至此,我们的探究目的基本实现,对于包含Majorana束缚态的AB环形体系,这样的结果有助于进一步认识Majorana束缚态对并联介观电路的电子传输性质的影响,为拓扑量子计算奠定新的基础。

关键词： Majorana束缚态 Andreev反射退耦合非平衡格林函数

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