检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：王海霞中国科学院研究生院

学位级别：博士

量子点是上世纪80年代中后期发展起来的一种新型低维量子结构，由于其内在的丰富物理内涵而广受关注。几个量子点在空间相互靠近并发生耦合可以形成耦合量子点。与单量子点相比，耦合量子点结构包含着更丰富的物理内容。耦合量子点体系... 详细信息

量子点是上世纪80年代中后期发展起来的一种新型低维量子结构，由于其内在的丰富物理内涵而广受关注。几个量子点在空间相互靠近并发生耦合可以形成耦合量子点。与单量子点相比，耦合量子点结构包含着更丰富的物理内容。耦合量子点体系的量子输运研究是当前凝聚态物理领域的一个热点课题。它的意义不仅在于揭示体系中新效应和新现象的物理机制和规律，而且为设计和实现具有优良性能的量子器件提供了物理模型和理论依据。本文采用Gurvitz等发展的主方程方法和非平衡格林函数方法，对周期耦合量子点体系的电子输运、周期耦合量子点体系的自旋极化输运以及耦合量子点中的纠缠测量进行了研究，并得到了一些有意义的结果。\n 首先，研究周期耦合量子点体系的电子输运性质。两量子点的耦合由含时微波场控制，讨论微波场频率对电子在孤立耦合量子点中隧穿的影响。然后，利用Gurvitz主方程方法，并结合数值计算，分析了与电极连接的周期耦合量子点体系的电流与微波场频率的关系，最后得到了电流的解析表达式。结果表明，改变微波场频率等效于调节两量子点的能级差；通过改变频率，在体系中发生了光子协助的隧穿过程。\n 其次，研究周期耦合量子点体系的自旋极化输运性质。通过在两量子点间的势垒区域施加静磁场，使体系中产生了自旋流。利用非平衡格林函数方法，并结合数值计算，讨论了电子间库仑作用力为零、有限值、无穷大三种情况下，电荷流、自旋流以及相应的微分电导随外偏压的变化情况。此外，还分析了微波场频率对电流、电导的影响。我们发现：电荷流随外偏压增加，而自旋流随外偏压的变化与微波频率有很大关系；库仑作用为零和无穷大时，微分电导有四个峰值，在库仑作用取有限值情况下，电导有八个峰值；并且电导峰值个数随微波频率的增大会有所减少。这些结果都可以用自旋相关的共振隧穿模型来解释：耦合双量子点等效于包含多能级的单量子点，改变外偏压，这些能级依次进入左、右电极形成的能量窗口中，体系电流仅与能量窗口中的能级有关，根据占据这些能级电子自旋取向的不同，电流和电导发生变化。\n 最后，研究耦合量子点中的纠缠测量问题。用量子点接触对耦合量子点中自旋相反的两个电子间的纠缠进行测量。利用Gurvitz主方程方法，并结合数值计算，讨论了耦合量子点中的电子纠缠、量子点接触的电流以及电流变化率的演化情况。结果表明：耦合量子点中的两个电子通过库仑相互作用发生纠缠，形成量子纠缠态；无论库仑作用的强弱，量子点接触的电流仅可以反映电子的最小纠缠信息；而量子点接触的电流变化率在强库仑作用下，能够反应电子纠缠的全部信息，但对于弱库仑作用，电流变化率无法反映电子的纠缠。

关键词：耦合量子点体系电子输运纠缠测量非平衡格林函数 Gurvitz方程自旋极化

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石墨烯纳米带热电性质及其调控的第一性原理研究

石墨烯纳米带热电性质及其调控的第一性原理研究

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作者：谭仕华湖南大学

学位级别：博士

近年来,随着纳米技术和原子操控技术的快速发展,人们发现在纳米尺度下材料具有完全不同于块体材料的奇异电学、热学和热电性质。这些奇异性质吸引了越来越多的实验和理论工作者的关注。本论文利用第一性原理与非平衡格林函数相结合的方... 详细信息

近年来,随着纳米技术和原子操控技术的快速发展,人们发现在纳米尺度下材料具有完全不同于块体材料的奇异电学、热学和热电性质。这些奇异性质吸引了越来越多的实验和理论工作者的关注。本论文利用第一性原理与非平衡格林函数相结合的方法系统研究了石墨烯纳米带中的热电性质及其调控。主要内容如下：首先,我们利用第一性原理与非平衡格林函数相结合的方法,研究了5-7缺陷对(PHD)对石墨烯纳米带热输运性质的影响。结果表明5-7缺陷对对扶手椅型石墨烯纳米带中热导的影响要强于锯齿型的,同时声子模的不匹配也会对声子产生强烈的散射。特定频率ω0下的垂直平面的声学模会被5-7缺陷对完全散射,这时可在扶手椅型石墨烯纳米带中观察到顺时针和逆时针的热流环。体系中的热导比率仅与5-7缺陷对的取向有关,而与石墨烯纳米带的宽度无关。当石墨烯纳米带中的缺陷对数目达到40时,超过97%的入射声子会被散射掉。这些结果有助于设计高性能的纳米热阻或者热电器件。运用密度泛函理论研究了磁性原子(MA)对锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)电子能带结构的影响。结果表明,由于磁性原子的影响,一部分自旋向上(下)的电荷会从纳米带的一侧流向另一侧,同时自旋电荷在沿着ZGNR方向具有自旋相干性,窄的ZGNR的能带会被打开。但在宽的ZGNRs中,一部分自旋电荷在磁性原子的影响下会为了降低自身能量发生翻转,这将使有磁性原子一侧的能带被打开而另一侧的能带则保持不变。这些结果表明通过在边缘碳原子上施加／移除磁性原子,可使窄的ZGNR在金属和半导体间转换,而在磁性原子和门压的双重作用下,宽的ZGNR会呈现自旋向上(下)的半金属性。进一步的研究发现,在磁性原子的作用下,窄的ZGNRs中的塞贝克系数会发生反转、放大,这为设计优良的热电器件提供了一种可行的方法。研究了石墨烯纳米带／单壁碳纳米管(GNR/CNT)分子结中的电子输运性质。由于最高占据态轨道(HOMO)和最低未占据态轨道(LUMO)在正负偏压下的离域性不同,ZGNR/(6,6)CNT(金属-半导体(M-S)型)分子结呈现出较强的整流效应,而AGNR/(10,0)CNT(半导体-半导体(S-S)型)分子结的整流效应则比较弱。同时由于两种分子结的HOMO和LUMO会随着门压的升高而趋于局域,使它们呈现出典型的p型半导体的性质。这些结果均与实验测量结果相吻合。进一步研究了化学键和桥原子的质量对扶手椅型石墨烯纳米带(AGNR)热电性质的影响。结果表明,桥原子的质量对声子散射起主要作用。由于桥原子越重越难以发生振动,AGNR中的声子热导会随着桥原子质量的增加而降低,这种关系可通过一个简单的等式进行描述。另一方面,桥接原子对AGNR的电学性质影响较小。在一定温度范围内(100K-500K),AGNR的ZT因子会随着温度的升高而升高,最高可达到0.8。随着温度的继续升高(500K-800K),由于电子热导的急剧升高,AGNR中的ZT因子最大值会随着温度的升高而减少。这些结果表明桥原子可用来提高石墨烯纳米带的热电性能。在上述工作的基础上,我们研究了由边缘的金原子链连接的锯齿型石墨烯纳米带(4ZGNRnAu)的热电性质。我们发现,由于金原子对声子的强烈散射作用,室温下4ZGNRnAu中的声子热导与4ZGNR中的声子热导比值η低至5%。另一方面,由于4ZGNR边缘态中的电子可以通过次最高占据态轨道HOMO-1和最低未占据态轨道LUMO传输,4ZGNRnAu中位于费米能级附近的电子透射则不受原子链的影响。因此室温下4ZGNRnAu的ZT超过了1,而且最大的ZT在温度达到500K时达到2.3735。同时,ZT最大值随着原子链的长度增长和温度的升高而增大。

关键词：第一性原理非平衡格林函数石墨烯纳米带热学性质电学性质热电性质

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新型纳米半导体逻辑元器件量子特性的建模仿真及其应用基础研究

新型纳米半导体逻辑元器件量子特性的建模仿真及其应用基础研究

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作者：张硕浙江大学

学位级别：博士

当今,飞速发展的信息技术产业对中央处理器芯片性能和集成度的提升不断提出新的挑战,延续“摩尔定律”面临前所未有的压力。为了在互补金属氧化物半导体(CMOS)技术下继续“摩尔定律”,纳米半导体晶体管的尺寸正不断接近材料的物理极限,... 详细信息

当今,飞速发展的信息技术产业对中央处理器芯片性能和集成度的提升不断提出新的挑战,延续“摩尔定律”面临前所未有的压力。为了在互补金属氧化物半导体(CMOS)技术下继续“摩尔定律”,纳米半导体晶体管的尺寸正不断接近材料的物理极限,其中越发显著的量子效应严重影响器件的工作性能;因此,近年来针对半导体材料和器件中量子特性的研究成为学术界和工业界关注的焦点。这些研究一方面努力克服传统的晶体管逻辑元件中量子效应带来的负面影响,另一方面不断尝试利用半导体材料中新奇的量子特性,探求传统CMOS技术之外的逻辑计算发展路线,从而衍生出基于电荷自旋、能谷自由度以及量子叠加原理的解决方案。因此,针对以上这些技术路线中的新型纳米半导体逻辑元器件,本论文在其量子特性及设计应用方面展开了建模仿真和实验研究,主要研究工作和创新点归纳如下:1.针对纳米尺度下遭遇显著量子隧穿和量子约束效应的新一代场效应管,完成了建模仿真及分析研究。(1)自主开发了实空间非平衡格林函数量子输运仿真工具,细致地研究了7 nm沟道长度下超薄体MOSFET中的量子约束和量子隧穿效应;分析了器件的电容-电压特性,并在其基础上研究了器件的CMOS基准性能表现,表征了寄生效应对短沟道器件的影响;清晰地揭示了空穴输运的物理机制,深入探究了沟道材料、几何尺寸、晶向配置、应力应变和晶格散射对短沟道器件整体性能的影响,为器件的设计优化提供理论指导;(2)建立了模空间降阶后的非平衡格林函数量子输运仿真方法,针对亚5 nm技术节点下的堆叠纳米片环栅MOSFET,研究了纳米片宽度和晶向配置的混合量子效应;创新性地通过统计学方法,表征了纳米片宽度的工艺偏差对堆叠纳米片FET阵列整体性能的影响;通过与同技术节点下的FinFET架构比较,分析了纳米片晶向配置、堆叠数量、沟道宽度和间距的优化方案;(3)考虑到量子约束和晶向配置的重要影响,构建了目前首个准确且较为全面的纳米片FET空穴迁移率理论模型,其中清晰地揭示了声子、带电杂质和粗糙表面散射机制的物理图像;分别考虑不同器件配置、单轴应力、杂质浓度、界面粗糙度、工作温度等参数的影响,从理论上评估了硅和锗纳米片FET的低场空穴迁移率特性及变化规律。2.针对基于二维材料自旋和能谷等量子特性的自旋场效应管和量子点,完成了建模仿真及分析研究。(1)建立了基于动力学自旋Bloch方程的自旋输运仿真框架,研究了二维材料中的自旋驰豫和退相干;在此基础上,开展了目前首个二维半导体自旋FET相对于其MOSFET的性能基准评测,为实现二维材料自旋逻辑电路的材料、工艺和器件工程提供了实用的设计指导和实施标准;(2)对二维半导体材料中的自旋和能谷电子学进行了密度泛函理论(DFT)研究;在其基础上,首次建立了精确到第三近邻相互作用的二维半导体量子点紧束缚模型,开发了基于薛定谔-泊松自洽求解的量子点仿真工具;针对不同二维半导体的静电学量子点,准确地仿真了低温下自洽的量子点分立能级结构,深入地研究了量子点形态、尺寸、缺陷原子和磁场调控效应,为其中量子比特的设计优化提供高效的仿真平台和理论指导。3.针对新一代纳米片晶体管架构和二维材料自旋晶体管设计方案,成功地实验制备了结构完整且性能良好的石墨烯/WS/石墨烯横向异质结FET,并对其进行了系统的理化性质表征与电学性能测量;完成了将二维材料应用于新型纳米逻辑元器件的实践,验证了采用二维材料实现纳米片沟道FET和自旋FET的可行性。

关键词：二维材料纳米片场效应管自旋场效应管半导体量子点能谷电子学建模仿真非平衡格林函数量子输运

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纳电子器件中电子输运理论的算法研究

纳电子器件中电子输运理论的算法研究

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作者：张家兴北京大学

学位级别：博士

在本论文的研究工作中，在Landauer物理图象的框架下，基于密度泛函理论的Kohn-Sham方程，并结合非平衡格林函数方法，实现了一个对纳电子器件中电子输运的计算仿真系统。并且以此为基础，对纳电子器件中电子输运计算的若干问题进行了... 详细信息

在本论文的研究工作中，在Landauer物理图象的框架下，基于密度泛函理论的Kohn-Sham方程，并结合非平衡格林函数方法，实现了一个对纳电子器件中电子输运的计算仿真系统。并且以此为基础，对纳电子器件中电子输运计算的若干问题进行了物理上和算法上的研究。\n 在由密度矩阵得到哈密顿矩阵的过程中，为了考虑半无限大电极对扩展分子区域静电势的影响，我们提出了静电修正方法。这种静电修正方法基于局域基组，避免了直接在实空间划分网格求解Poisson方程，因此具有较高的效率。此外，还对电极采用与扩展分子同样的物理模型，最大限度地减少了人为界面的产生。考察由于基函数的空间扩展性而导致的电极对扩展分子区域交换关联矩阵的影响，提出了交换关联修正，这在以往的研究中没有得到应有的重视。实际计算结果表明，我们的静电修正和交换关联修正可以大大增加计算结果的准确性。对于一维金原子链结构，我们发现交换关联修正对计算结果的影响要大于静电修正，因此绝对不应该忽略对交换关联矩阵的修正。同时，在平衡情况下考察了影响静电修正和交换关联修正效果的各种因素，发现主要影响因素是扩展分子尺寸和电极原胞的尺寸。如果充分考虑这些因素，平衡情况下自洽计算可以严格得到非常准确的结果。\n 通过第一性原理和建立数学模型近似计算，对一维结构在非平衡态的静电势和电荷分布问题进行了研究。一维周期结构在电势改变时表现出如下的特点：(1)一维结构的电势改变导致每个原胞上积累电荷，而电荷积累的多少又依赖于其长度。(2)一维结构中的势场平移是一个全局效果，一个小区域的电势改变主要依赖于体系中其它部分的贡献。这种贡献具有一定的长程效果，但同时也是衰减的。这些都使得非平衡情况下准确计算一维结构电极的静电修正非常困难。幸运的是，如果计算静电修正时不考虑电极的电荷积累，计算所造成的误差将仅局限在扩展分子与电极的界面区域。另外，由于电极在扩展分子区域的电势影响是衰减的，它不可能象三维结构那样产生线性降落外势，因此一维结构扩展分子部分的电势降落主要由这个区域的电荷分布导致的。\n 尽管局域态不会对电流产生直接贡献，但是它们会通过改变电荷分布而间接地影响电子输运。对于非平衡态下左右费米能级之间的局域态，由于直接计算和分别确定占据几率的困难，很多研究工作都忽略它们的存在，这会导致自洽计算的过程和结果出现问题。我们给出了一种将这个能量窗口内的局域态作为整体而进行计算和填充的方法，其核心思想是：首先计算所有局域态的谱积分，然后根据占据与非占据散射态的比例确定每个原子的局域态占据几率，最后将局域态谱积分的每个矩阵元依照对应原子的占据几率填充到密度矩阵。我们的方法避免了直接计算每个局域态的繁重任务，而且从物理的角度考虑了局域态的占据几率。通过类似的方法，可以提取出非平衡积分的误差，从而对其进行修正。以上非平衡态修正的主要代价是增加一个格林函数的路径积分，但是非平衡积分误差修正的效果使得可以用更少的积分点取得同样精确的结果，这实际上大大降低了非平衡部分的计算量。

关键词：电子输运密度泛函理论非平衡格林函数纳电子器件

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石墨烯及其氮化结构电子输运性质的研究

石墨烯及其氮化结构电子输运性质的研究

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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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一维纳米结构电子输运性质的理论研究

一维纳米结构电子输运性质的理论研究

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作者：樊巍中国科学院研究生院（理化技术研究所）

学位级别：博士

20世纪90年代以来,随着先进实验技术的出现和发展,研究者们对材料性质和功能的探索已经深入到纳米量级的微观领域,基于纳米材料的电子器件设计和制造研究成为热点并被证明具有潜在的应用价值。本论文通过理论方法,如密度泛函理论,非平... 详细信息

20世纪90年代以来,随着先进实验技术的出现和发展,研究者们对材料性质和功能的探索已经深入到纳米量级的微观领域,基于纳米材料的电子器件设计和制造研究成为热点并被证明具有潜在的应用价值。本论文通过理论方法,如密度泛函理论,非平衡格林函数方法等研究了纳米材料,包括耦合量子点(QD),有机分子体系和硅纳米线(SiNW)的电子输运性质。耦合量子点研究明确了耦合参数以及电子相互作用对输运的影响,有机分子体系的研究帮助了解有机分子器件中负微分电阻的产生原因和机理,SiNW的研究阐明不同轴向的导电性及其原因,为SiNW电子学的发展提供了一些理论经验。以下是各章讲述的内容。第一章是绪论,首先简介纳米电子学的发展,介观体系的定义以及量子输运器件中的常见现象和原理,然后从实验方法和理论方法两个方面概述纳米电子学的基本背景和发展现状,其中结合我们组的研究贡献,最后总结归纳本论文的内容和意义。第二章是密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数方法(NEGF),DFT是目前广泛应用的模拟纳米材料基态电子结构性质的主要方法,而NEGF是处理纳米体系在外加偏压下非平衡状态时的电子输运性质研究的有力工具。本章简介DFT和NEGF的理论框架和本论文使用到的软件包。第三章是耦合量子点的电子输运,本章利用Anderson模型构造耦合QD理论模型,然后用NEGF方法计算QD体系的电子输运。通过研究耦合参数对电子输运的影响,明确了出现某些特征现象需要的参数条件,为人为操纵QD形成特殊功能积累了经验,另外通过研究双量子点中e-e相互作用,明确了1阶截断近似和2阶截断近似的影响。第四章是有机分子的电子输运性质,本章应用DFT+NEGF方法模拟有机分子体系研究电子输运性质。首先构造了三个有机分子器件,发现部分器件的I-V曲线中出现负微分电阻(NDR)效应,通过研究透射几率谱和投影态密度,我们解释了NDR出现的原因,提出一个电极化学势与分子能级关联作用的机制。第五章是一维硅纳米线的电子结构和输运性质,本章从Si的晶向和表面出发研究SiNW的结构,形成能,电子结构和电子输运性质。通过比较形成能解释了为什么实验中较易生长出<110>和<112>纳米线,通过电子结构研究定量给出<110>,<112>,<111>,<100>纳米线的能带特征,发现<110>带隙最小,且前线轨道的载流子有效质量小,其次是<112>纳米线,通过电子输运计算,证实了<110>的良好导电性,为SiNW电子器件的设计制造提供理论经验。第六章是总结与展望,总结了本论文的主要工作成果,对未来工作的开展方向提出设想。

关键词：电子输运非平衡格林函数量子点纳米线

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基于典型接触的原型分子器件电学特性理论研究

基于典型接触的原型分子器件电学特性理论研究

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作者：宁静北京大学

学位级别：博士

利用密度泛函理论和非平衡格林函数方法，研究了两类基于不同接触结构的原型分子电子器件--基于金-氮(Au-N)接触结构和钌-碳(Ru-C)接触结构的分子结--的导电特性。\n Au-N接触具有相对确定、可重复性高的实验结果，希望通过对它的研... 详细信息

利用密度泛函理论和非平衡格林函数方法，研究了两类基于不同接触结构的原型分子电子器件--基于金-氮(Au-N)接触结构和钌-碳(Ru-C)接触结构的分子结--的导电特性。\n Au-N接触具有相对确定、可重复性高的实验结果，希望通过对它的研究能够深入理解分子轨道与电极相互用的机理以及分子轨道在电子输运过程中所起的作用。而Ru-c接触具有很强的耦合，并且能够提供基于Л型键合的导电通道，计算结果表明这是一种导电特性优越、易于实验控制的新型理想接触构型，对未来分子电子器件的构建有重要意义。\n 对基于Au-N接触的原型分子器件，深入研究了接触区域几何构型对其电子输运特性的影响、各分子轨道在基于Au-N接触的简单原型分子器件中的作用以及如何通过接入官能团调节此类器件的电子输运特性。首先，通过对4，4-联吡啶分子直接接入金电极(直接接触)和通过一个凸起的Au原子接入金电极(间接接触)两种模型的研究，发现两种输运体系的费米能级与中间分子最低非占据分子轨道(LowestUnoccupiedMolecularOrbital，LUMO)的相对位置受到接触区域几何构型的巨大影响，使两种构型的导电特性有很大差异。选取更为简单的金电极-对苯二胺-金电极(Au-Ph(NH2)2-Au)分子结深入分析分子轨道在电子输运过程中的作用，发现具有良好共轭Л键连续性的最高占据分子轨道(HihgestOccupiedMolecularOrbital，HOMO)和HOMO-2在输运中起主要作用，并且体系的导电特性不依赖于分子与电极的键合方向。借助N的同族元素磷(P)与金电极的接触，验证了从Au-Ph(NH2)2-Au分子结模型得到的结论，而且发现由于P与金电极的耦合更强，体系所表现出的导电性能更好。在基于Au-N接触的分子结中间分子上接入不同的给电子、得电子基团，可以使各分子轨道与输运体系费米能级的相对位置发生改变，从而使各输运体系在费米能级附近给出不同的透射特性，实现对分子电子器件导电特性的调控。\n 对基于Ru-C接触的分子结，在研究共轭Л键连续性和分子与电极接触位置对其电子输运特性影响的基础上，还探讨了基于Ru-C接触的分子结模型作为理想分子导线的可能性以及利用钌电极构建原型分子器件时对中间分子、分子轨道的敏感性问题。通过讨论钌电极-辛烯链-钌电极(Ru-Octene-Ru)分子结模型，发现烯链可沿分子骨架形成连续性很好的共轭Л键，并通过与钌电极的相互作用将其延伸到电极之中，形成很好的导电通道，给出很好的透射(费米能级处的透射几率为0.61)；而当烯链或Ru=C接触处的共轭Л键连续性被破坏时，电导都会急剧减小。进一步研究发现，通过不同的接触位将烯链接入钌电极之间，各分子结都可以给出良好的导电特性，而且在低偏压下各体系的电流差异小于9％。当将包含不同奇、偶个数的碳原子链接入到钌电极之间时，所形成的分子结输运特性并不随着碳原子个数的增加而改变，分子结在费米能级处都给出了两倍于Ru-Octene-Ru分子结的透射几率，有望应用于构建理想分子导线。只要在钌电极之间接入共轭Л键连续性很好的中间分子，并且分子与钌电极发生很好的耦合，分子结就能够给出很好且相似的透射特性，这对于未来分子电子器件的构建具有重要意义。

关键词：分子器件电学 Au-N接触结构 Ru-c接触结构密度泛函非平衡格林函数电子输运共轭Л键

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低维量子体系输运中的动力学和热电性质研究

低维量子体系输运中的动力学和热电性质研究

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作者：古磊华中科技大学

学位级别：博士

低维体系由于其特有的低维特性,往往具有区别于三维块材的独特性质。对于分子器件,量子点、分子导线线等低维结构是主要的元器件。本文使用非平衡格林函数方法研究了两个典型低维体系的输运性质:双链DNA分子和金属-量子点-磁性绝缘体异... 详细信息

低维体系由于其特有的低维特性,往往具有区别于三维块材的独特性质。对于分子器件,量子点、分子导线线等低维结构是主要的元器件。本文使用非平衡格林函数方法研究了两个典型低维体系的输运性质:双链DNA分子和金属-量子点-磁性绝缘体异质结。对于DNA分子,我们研究了分子动力学和电荷输运之间的相互作用,以及量子相干对其热电输运性质的影响。对于量子点异质结,我们较系统的研究了它的热自旋输运机理以及对热自旋流的调控方法。基于DNA的分子器件和热自旋电子学是重要的两个研究方向,我们的结果对相关实验和器件设计有参考和借鉴意义。当某个体系偏离平衡态而随时间演化时,反映体系性质的物理量也会随着时间变化,非平衡格态林函数方法是计算这些含时物理量的一种重要方法。当没有外场或偏压等非平衡因素时,非平衡格林函数退化为平衡态格林函数方法,所以非平衡格林函数方法可以被认为是格林函数方法的一般形式。由于有像Dyson方程、Wick定理等系统的方法来处理格林函数的计算,以及很多近似和数值方法也都基于格林函数,使用格林函数方法来进行计算往往会比较方便,也具有较强的适用性。文章第一章为绪论,首先简述了DNA输运性质和热自旋电子学的研究背景和现状。在简单介绍了非平衡格林函数涉及的基本定义等背景知识后,我们说明了如何用格林函数方法处理一类动力学问题,接着对用来处理强关联体系的隶玻色子方法和非交叉近似做了简要介绍。绪论的最后简述了研究的动机和内容。由于DNA分子的碱基间存在π键,这使其能够导通电流。与此同时,碱基间的氢键和π键都是相对较弱的成键作用,这意味着DNA的动力学强度比较小,也就是说其形态和结构容易受到外力的影响。第二章使用格林函数方法研究了DNA分子在两端加上偏压时的动力学,以及动力学对DNA导电性能的影响。我们发现电流的动力学效应能够很显著地导致碱基对的分离。通过电声相互作用,被打开的碱基对会抑制电荷的输运,从而出现负微分电阻等现象。在接下来的第三章,我们设计了一个实验方案来验证DNA中的负微分电阻是否由电流的动力学效应引起,并理论计算了方案的可行性。由于DNA分子动力学影响其导电性质,不同环境对DNA分子动力学的作用会导致不同的导电特性,电荷输运与动力学之间的相互作用为解释实验上观察到的DNA多变的导电性质提供了一个新角度。从第四章开始,我们研究温差导致的输运现象。由于DNA的双链结构以及π键堆叠导电通道,电荷的输运中可以出现Fano和Dicke效应这两种由量子相干导致的现象。我们的计算表明,通过调节电子在位能和交叠积分等能量的大小,DNA或有类似结构分子的热电性能可以都到明显的提升,对这些参数的调节可通过环境涨落等方式来实现。在第五章中,我们研究了另一种低维体系的热自旋输运—由金属、量子点和磁性绝缘体构成的异质结中的自旋Seebeck效应。我们推导了热自旋流的格林函数公式,以及其在隶玻色子表示下的表达式,然后我们使用非交叉近似计算了热自旋流。这种异质结允许通过门电压来调节自旋流的大小,从而提供了一种不需要改变温度梯度的调控方式。此外,我们研究了库伦相互作用对热自旋流的影响,并发现强度合适的库伦作用能显著的增大自旋流的可调范围。在正文的最后部分,我们总结了文章的主要内容和创新点,并对相关问题的后续研究进行了展望。

关键词：非平衡格林函数 DNA 电流力塞贝克效应隶玻色子非交叉近似

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基于分子器件集成电路设计的理论研究

基于分子器件集成电路设计的理论研究

引用

作者：钱则侃北京大学

学位级别：博士

在本论文的研究工作中，我们主要针对分子器件集成电路的特点，在非平衡格林函数结合密度泛函理论(NEGF+DFT)的计算框架基础上，发展出一套处理分子器件集成电路设计的计算方法。\n 和微电子电路不同，在分子器件集成电路中，较大尺... 详细信息

在本论文的研究工作中，我们主要针对分子器件集成电路的特点，在非平衡格林函数结合密度泛函理论(NEGF+DFT)的计算框架基础上，发展出一套处理分子器件集成电路设计的计算方法。\n 和微电子电路不同，在分子器件集成电路中，较大尺度的块体电极只能作为电压或电流探针提供输入信号或者测量输出信号，而器件之间的连接电极必须采用和分子尺度相当的准一维材料，以达到有效提高电路集成度的目的。由于传统的NEGF+DFT方法要求的电极独立平衡假设和固定电势条件在准一维材料中都不再成立，因此我们首先在基于“无反射接触条件”和“零场条件”两个假设的基础上，提出了一种适用于一维电极体系的非平衡自洽计算方法。\n 接下来要解决的是计算效率的问题。针对在大体系的自洽计算过程中，由哈密顿量矩阵计算密度矩阵的过程花费了绝大多数的计算时间，而这其中主要是由矩阵求逆运算的计算量所导致。利用矩阵的稀疏性以及密度泛函理论中哈密顿量仅仅依赖于电子密度的特点，我们提出了一套针对准一维体系NEGF+DFT计算的快速矩阵求逆算法。该算法的核心思想是不再计算逆矩阵中对电子密度没有贡献的部分而不仅仅是数值很小的元素，因此可以在不降低任何计算精度的前提下，使得矩阵求逆运算的计算量从N3的量级降到了N的量级(其中N是体系的尺度大小)。\n 基于上述两种技术，我们计算了一个准一维原型分子器件的电学特性：以单壁碳纳米管为电极的苯分子结。针对在目前实验条件下对碳纳米管电极还无法精确控制的几个重要因素如碳管电极的螺旋度和直径、电极间距、电极之间的扭转角，研究了这些因素对苯分子结电学特性的影响。计算结果表明，碳管电极的螺旋度对电子输运特性会有较大的影响，而电极直径、电极间距以及电极之间的扭转角对该体系电导的影响都很小，表明单壁碳纳米管用做分子电子器件中的电极具有一定的优越性。\n 最后，我们讨论了多分子器件的连接问题。不同于传统微电子电路中各个器件的连接，分子器件电路由于其较小的尺寸而可能是一个量子相干体系。这就意味着经典的电路定律，如基尔霍夫电压定律在这样的微小结构中将不再适用。在独立器件假设的条件下，也就是假设任何一个分子的存在都不影响其他分子位置处的电势分布和电荷分布的前提下，我们利用散射矩阵组合公式发展出一套处理多分子连接问题的计算方法，并利用这套方法设计出了一种全新的电路元件--电子相位晶体管。和分子晶体管中利用分子能级的移动来控制输运特性不同，电子相位晶体管利用了电场对电子相位的改变来控制电子的干涉特征，继而达到控制电流的目的。由于相位和干涉都是在量子效应下才会显现的特征，因此电子相位晶体管是真正利用了量子效应的功能器件。而这种利用相位控制来改变电流的思想可能在分子器件电路的设计中将会有很大的应用前景。

关键词：分子器件集成电路非平衡格林函数密度泛函矩阵碳纳米管

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金电极下二元化合物氮化镓链结构演化和电导的从头计算

引用

原子与分子物理学报 2020年第3期37卷 460-466页

作者：贾啸穆轶常景张田周晓林四川师范大学物理与电子工程学院成都610101

基于从头密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,首次研究了二元化合物GaN链介于两个金电极之间的电子输运性质.模拟了Au-(GaN)2-Au节点断裂过程,计算了相应的结合能,获得了平衡态电导以及平衡态下节点的投影态密度.此外,计算了平衡态下... 详细信息

基于从头密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,首次研究了二元化合物GaN链介于两个金电极之间的电子输运性质.模拟了Au-(GaN)2-Au节点断裂过程,计算了相应的结合能,获得了平衡态电导以及平衡态下节点的投影态密度.此外,计算了平衡态下节点在微小偏压下的电流和电导.结果发现,随着偏压增强,GaN分子链的电导也随之下降.最后给出的伏安特性曲线呈现一个非线性关系,表明节点具有类似半导体的特征.

关键词：密度泛函理论非平衡格林函数电子输运性质投影态密度伏安特性曲线

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