张振华[1]2002年在《碳纳米管电子结构及输运特性的研究》文中指出本论文首先对碳纳米管(CNTs)的研究进展—制备与纯化、理化性质、技术应用、研究领域、研究方法及研究成果等进行全面评述，并对CNTs的原子结构、Brillouin区特点及与石墨的渊源关系进行了系统的讨论。在此基础上，重点研究了CNTs的电子学问题，主要包括对手性单层碳纳米管(SWNTs)和手性环状碳纳米管(TCNTs)电子结构、SWNTs电输运特性、SWNTs和TCNTs的磁输运及磁化特性等的深入研究。 对SWNTs和TCNTs独特电子结构的研究，我们利用紧束缚模型分完善和非完善(形变)碳纳米管(环)两种情况、分别导出了计入磁场作用的手性SWNTs和手性TCNTs的电子能量色散(状态)关系的解析表达式。深入研究发现：完善的手性SWNTs和第Ⅰ、Ⅱ类TCNTs的能隙随外磁场变化出现以φ=φ_0(h／e)为周期的金属—半导体连续转变现象，这是明显的AB效应；SWNTs的Van Hove奇异性明显地呈现在电子DOS和微分电导率(G_d)的测量中，这正是SWNTs一维特征的表现；变形手性SWNTs和TCNTs的原子结构的变化以及邻近原子的转移积分与方向有关等，从而导致金属型SWNTs和TCNTs可能向半导体型或绝缘体型转变。 我们从Boltzmann方程出发，并结合SWNTs的能量色散关系，导出了计算手性SWNTs电导或电流的理论模型，并分别对非掺杂和掺杂SWNTs的低温电导或电流进行数值计算，结果表明：对于非掺杂的SWNTs，其电导是量子化的，即电导随偏压或电子输运能量变化呈跃变的台阶式结构，这些结构随管径增大或温度升高变得不明显；对于掺杂SWNTs，当偏压为某些特定值V_i时，传导电流有跃变，且传导电流的大小、跃变周期及跃变幅度等不是完全由掺杂后的电子浓度决定的，而与管半径R及掺杂后Fermi能级附近的电子态密度(DOS)有直接关系，随着温度的升高和管径的增大，跃变结构趋于平滑。特别是考虑SWNTs中输运电子的“波粒二象性”，即将Boltzmann方程和弱局域化(WL)理论相结合计算出的低温电阻理论值，与低接触电阻条件下SWNTs电阻的实验测量结果能较好地符合。 利用磁场中的Boltzmann方程，我们导出了计算SWNTs磁阻(MR)的理论模型，具体计算表明：对于低能电子输运，AB效应是主导效应，而弱的AAS效应被掩盖，导致AB效应能被明显观察到，即磁阻以φ_0为周期振荡；而对于高能电子输运，虽然AAS效应较弱，但为主导效应，因为AB效应更弱，几乎消失，此时磁阻以i／2为周期振荡。将这些结论推广到MWNTs中，则目前对MWNTh磁阻实验观测及理论解释上的不一致可以得到合理的解释。 我们对手性TCNTs磁化强度进行了数值计算，结果表明：第1，11类TCNTs在丁＝OK时的磁化强度以h。为周期随。呈现线性变化，并对手性角0极为敏感，且随管口半径r增大、温度升高而减弱，但与环半径R无关。同时我们对TCNTs中的持续电流的手性效应进行数值计算和细致分析，我们发现：虽然手性环和非手性环（高对称环）中持续电流均以。为周期随。线性变化，但前者中的持续电流比后者强很多；前者中的持续电流对R、T的变化比后者敏感，即前者中的持续电流随R增大、T升高迅速减弱，但两者中的持续电流均与管口半径r无关；第＊类TCNTs中的持续电流极其微弱，可以忽略。
王佳[2]2018年在《低维系统中p电子自旋极化行为及其调控的理论研究》文中认为碳、硼等以p电子作为价壳层电子的主族元素,在地球上的含量相对丰富,且与人类生产生活关系紧密。在分子系统中,p电子的自旋极化行为与磁性材料、自旋电子器件等的设计与应用密切相关,因此具有重要的基础研究意义。并且,如果系统中的p价电子与未满占据价壳层上的高角动量f价壳层电子产生关联,则会带来更为丰富的轨道杂化和自旋极化行为。因此,理解这些电子自旋极化行为,是基础理论研究的重要挑战。而如果能进一步对这些电子行为进行调控,则会极大地促进了在分子或纳米尺度器件设计方面的新进展。在本文中,基于量子第一性原理方法,我们研究了一维碳纳米结构、以及零维硼富勒烯中的电子自旋极化效应,研究了p电子与5f电子的电子关联特性,发展了碳p电子自旋极化行为的调控方法,以及发展了含有5f电子体系输运特性非平衡格林函数方法。首先,全硼富勒烯B40是实验上发现的第二个非金属笼形分子,因此受到了广泛的关注。B40富勒烯作为一个中空的笼形结构,是否也是一个超原子,这个问题一直是未被解决的。我们通过密度泛函理论(DFT),分别使用纯泛函PBE和杂化泛函PBE0,B3LYP和HSE06进行计算和讨论,对这一问题给出了一致的结论。结果显示B40具有超原子的性质。B40不仅有超原子轨道1S,1P,1D,1F,还有超原子轨道2S,2P,2D和2F。因为B40的超原子轨道2F是部分占据的,因此增加6个电子到这个团簇上将导致了一个满壳层占据的闭壳的超原子结构。此外,核独立化学位移值的计算显示B406-的电子离域性高于B40本身。这部分工作的研究开创了一个超原子物理在硼富勒烯家族的新视角。通过前面的研究发现B40富勒烯是超原子,而超原子通向功能材料的一个路径是组装。为此目的,我们利用DFT方法研究了硼基超原子B40之间的相互作用。结果显示在低聚物中,B40之间不同的组装方式,会带来电子结构的改变,但它们都保持了部分超原子性质。这是因为两个单体的内壳超原子轨道还保持着电子局域性,而价壳层的超原子轨道由于两个超原子间的成键或反键杂化而不能保持超原子的轨道形状。在保持部分超原子性质的情况下,B40超原子的组装可以相应的实现从绝缘体到半导体的转变。其能带的减小可能是由“主量子数”为2的超原子轨道的消失导致的。这个发现凸显了超原子间相互作用,从而带来不同于单体的协同效应。因此我们的研究将有助于新型材料和器件的发展,尤其以功能单元为基元的材料组装。构建电子结构上不对称的低维纳米尺度碳材料,对能够实现定向输运、电磁开关等功能的分子器件设计具有重要意义。我们运用DFT方法对典型的(9,0)和(10,0)一维碳纳米管的一端加富勒烯半球饱和形成的Cap-(9,0)和Cap-(10,0)纳米结构,进行了结构特性研究。发现这种结构两端的不对称导致了电子自旋布居在管轴方向上分布的明显不对称。更有趣的是,对整个系统增加和减少电荷,都能引起电子自旋布居的改变。对于Cap-(9,0)纳米管,中性时结构两端的自旋是铁磁耦合的,而对于中性Cap-(10,0)碳纳米管,结构两端的自旋是反铁磁耦合。这可能来自于Cap-(10,0)和Cap-(9,0)不同的帽子端结构,前者以碳五元环为帽子中心,而后者为六元环。于此相对的是,系统的轴向电子布居比例未发生明显改变。此外,电子密度差分析显示增加或减少电荷可以诱导开口端和帽子端电子的得失。由此近乎于单纯实现了与电荷量相关的碳纳米管自旋布居的非对称调节。这些发现通过改变电荷为调控纳米尺度功能器件的自旋布局提供了一个简单的思路自旋极化的碳纳米管为构建自旋电子器件提供了一种可调节的构建单元,同时自旋极化现象的认识对于实现碳基电子学也是至关重要的。然而碳纳米管手性对其自旋极化所能产生的效应仍然是不清楚的。我们基于DFT方法研究了一系列有限长度手性碳纳米管(9,m)的自旋极化效应。与锯齿边纳米管是类似的是,手性纳米管的基态电子态也展现出了两端管口反铁磁耦合的自旋极化。而不同的是,手性纳米管的手性矢量从(9,1)变化到(9,5)时,净自旋电子密度会随着扶椅边原子的增加而逐渐减小;当扶椅边原子为m值大于等于6时,纳米管的自旋极化现象消失。手性纳米管(9,m)管口的扶椅边结构表现了抑制体系自旋极化的作用,从而可以通过调节管两端的扶椅边单元数来实现调控纳米管的自旋密度。此外,轨道分析显示(9,m)纳米管基态的自旋主要来源于前线轨道的贡献,且带隙随着手性纳米管自旋密度的减小而逐渐减小。我们的发现进一步发展了针对纳米管自旋极化行为的研究,也为通过调节手性矢量来调控功能分子器件的自旋极化提供了策略。p电子的自旋极化行为,将因为其它高角动量价电子的引入而变得更加复杂,但也带来了在分子器件、半导体电子器件的设计等方面的重要潜在应用。我们研究了一维碳纳米管中限域锕系原子带来的p电子与5f价壳层电子的关联特性,尤其是基于非平衡格林函数结合DFT发展了针对这类体系输运计算方法。首先,我们使用DFT方法计算了锕系原子内嵌到(4,4)或(5,5)碳纳米管中的结构,即An@(4,4)/(5,5)CNTs(An=Ac,Th,Pa,U)。结果显示锕系原子对轨道的贡献主要在非占据轨道和前线轨道附近,且随着原子序数的增加,5f电子对前线轨道的贡献也逐渐增加。为预测此类体系的导电性,我们发展了新的输运行为研究方法。这一方法的关键在于计算5f电子输运特性,通过结合第一性原理计算与非平衡格林函数方程,将体系的导电性体现在透射谱中,由此实现了针对锕系原子5f电子输运行为的计算。我们得到的结果非常令人意外,中心散射区锕系原子5f电子的散射,会抑制CNTs的电子输运性能。此外对U@(4,4)/(5,5)CNTs加偏压的研究显示,偏压会使透射谱向左移动。这部分研究将对广受期待的高角动量价壳层电子的输运特性研究提供了新的参考。综上,本博士论文系统性的工作将对理解低维体系中相关p电子自旋极化效应的研究起到重要的促进作用,所发展的模型化调控手段和新的输运计算方法,将会为进一步的实验和新的理论研究提供重要的参考和支持。
潘青彪[3]2014年在《石墨烯纳米带及其复合叁维结构的电子输运特性研究》文中研究表明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。这即意味着石墨烯纳米带对于研究与制作下一代新型纳米电子器件具有重要意义。本文运用结合密度泛函理论与非平衡格林函数的方法来模拟计算纳米结构体系的电子输运特性。研究了以下几种纳米结构:不同手性的石墨烯纳米带、十字形石墨烯纳米结以及石墨烯/碳纳米管复合叁维结构。并分别对叁种结构的电子输运特性进行了建模计算与分析,得到了以下一些结论:(1)具有完整边界的石墨烯纳米带:锯齿型为金属性结构,扶手型为半导体性结构,这与理论模型分析得到的结论是相吻合的;石墨烯纳米带宽度的变化不仅影响了金属性石墨烯纳米带的电流抑制区间宽度和电导率,同时也直接地影响了半导体性石墨烯纳米带的截断电压幅值和电流强度;并对锯齿型氮掺杂情形进行研究,发现掺杂后带隙发生了明显变化,从未掺杂的金属性转变为掺杂后的半导体性,同时在费米能级附近电子态密度和透射系数明显减少,因而致使电子输运性能有不同程度的降低。(2)十字形石墨烯纳米结:由于两臂的引入,破坏了边缘原先的电子输运通道,增加了多条电子隧穿通道,即引入量子尺寸效应和量子干涉效应,使得电子输运能力明显小于Zigzag GNR;对于未掺杂十字形纳米结均表现出一定的金属性,但随着臂宽、臂高的增加以及两臂的不对称性,透射谱线中均出现了明显的振荡现象;由于氮原子的掺入加剧了电子的散射,使得电子输运性能降低,并在某些偏压范围内出现了负阻现象。(3)石墨烯/碳纳米管复合叁维结构:两类复合叁维结构均具有一定的金属性;孔洞型G16-C60复合叁维结构在+1.5~+2.0V的偏压区间内将会出现负阻现象;平面型G16-C60以及G16-C66复合叁维结构在多个偏压区间内均会出现电流抑制现象;随着凹陷平面的加入、碳纳米管的孔径及凹陷平面的增大,将使得电子隧穿通道增加,振荡加剧;G16-C66复合叁维结构的电子态密度要比G16-C60的大的多。
韦建卫[4]2008年在《异质掺杂对碳纳米管电子特性和输运性能的影响》文中研究说明当今科技发展的显着特征之一是电子器件微型化,这使得纳米电子学成为一门由凝聚态物理、量子化学以及材料学等学科相互交叉的学科。碳纳米管不仅可以作为研究低维量子系统中许多奇特的量子现象的一个理想对象,同时也在量子化学、材料学方面具有十分广泛的应用前景,特别是在量子导线、分子器件等方面潜力巨大。随着计算方法的发展以及计算能力的提高,基于第一性原理的密度泛函理论方法能够在目前实验技术或条件难以实现的原子层面的结构性能预测等方面得到广泛应用,已成为纳米电子学理论研究的重要手段。本文利用基于第一性原理的密度泛函理论、结合非平衡格林函数方法,对单壁碳纳米管中存在的取代掺杂、拓扑缺陷等异质掺杂体系进行了系统的研究,获得了一些有意义的结论。这对基于单壁碳管的电子器件的实际制备和开发具有重要意义。对不同的掺杂浓度和掺杂分布位型进行的模拟表明,氮掺杂显着改变了半导体型碳管的电子结构,例如碳管(8, 0)从半导体型转变为准金属型。其电流-电压曲线模拟结果也同时证明了这一点。随着电压的增大,氮掺杂碳管的电流呈现非线性变化。随着氮原子浓度增大,体系的电子输运有明显的提高。氮杂质浓度不变的情况下,最近邻杂质原子在距离3个碳原子以上时,对掺杂管小偏压下的电子输运性能尤为有利。对于单壁碳管中Stone-Wales缺陷和氮杂质原子共存的复合情况,本文也进行了系统的模拟。对于半导体型(8, 0)碳管,这种复合缺陷总体上对输运起到增强的作用。缺陷中掺杂位置的不同对碳管的电子输运影响不同。对于金属管(9, 0),复合缺陷使得其电流普遍下降。不同掺杂位置的碳管体系,其电流相对大小关系随偏压方向变化而改变。此外,氮原子和空位形成的复合缺陷对碳管的输运也有显着的影响,这种复合结构也对半导体型碳管输运性能有所提高,而对金属型碳管的输运表现出削弱的作用。类似于氮原子,硼原子也易于在碳管中发生取代掺杂,硼掺杂对碳管造成的的网格畸变不大,但随着硼原子浓度的增多,碳管的圆形截面逐渐转变为椭圆。半导体(8, 0)在硼掺杂后,随偏压和能量变化的体系总透射值由原来的带状结构变成离散的岛状。在小偏压区域出现了规则的菱形岛状透射平台。电流-电压曲线结果表明,硼掺杂后使得(8, 0)管由原来的半导体型转变为准金属型。随着掺杂分布的变化,体系的电流大小也明显不同。小偏压情况下杂质原子分散度越高,对应体系的输运性能就越好,而大偏压情况下输运对杂质分布并不敏感。对于金属型管(6, 0)管,硼掺杂使得体系电流下降。不同掺杂分布的金属型碳管的电流在大偏压时有明显的趋同倾向。而小偏压时,当超原胞内的杂质相隔2～3个碳原子时电流最大,距离为一个原子的情况电流最小。在门电压的作用下理想(6, 0)管透射系数的量子化特征消失,呈现为光滑曲线。在C47B1型取代掺杂中,大多数能量范围内的透射系数随着门电压的升高而下降。在两端加上偏压时,门电压对硼掺杂(6, 0)管的影响有所削弱。随着门电压的增强,电流的减小幅度逐渐增大。对浓度为C46B2的叁种异构体的电流在小门电压情况下随门电压的增大而减小。但是随着门电压的继续增长,不同的杂质分布使得门电压的调节效果各不相同。(8, 0)管硼掺杂管的电流随门电压变化的幅度显然大于(6, 0),在门电压的作用下表现出较强的可调节特性。而负门电压情况下电流下降显着小于正偏压情况。而在偏压值较大时(包括正偏压和负偏压)门电压的影响都显着下降。利用掺杂来调制碳管的性能是非常有前途的一个方法,所以更加深入和广泛的研究碳管掺杂的性能以及器件制备是非常重要的研究课题。
张华[5]2006年在《接枝和掺杂对碳纳米管电学性能的影响》文中研究指明碳纳米管具有十分优异的物理、化学性能,使其具有巨大的应用前景。但由于实验制备的碳纳米管初产品中含有大量的杂质,因此在对碳纳米管进行实验研究或应用之前通常都需要对碳纳米管进行表面纯化改性,这些化学或物理的方法在提纯了碳纳米管的同时,也会将一些官能团比如羧基和羟基接枝到碳纳米管上;另一方面,在对碳纳米管进行应用的时候,比如制备碳纳米管复合材料、纳米器件和纳米生物学应用中,经常人为地将一些官能团接枝到碳纳米管上,通过这样的表面修饰来改变碳纳米管的表面性能,以实现某些特定的功能化。但是,目前实验和理论上对接枝官能团后碳纳米管本身性能的变化的研究很少,而这些性能上的变化对于碳纳米管的应用来说是至关重要的。因此,我们从理论上讨论接枝官能团对碳纳米管本身电学性能的影响。我们以局域密度泛函理论为基础,采用第一原理方法,利用DMol3、CASTEP软件进行理论模拟研究。建立了对(5,5)、(9,0)和(8,0)型有限长碳纳米管接枝羧基和羟基官能团的原子模型,通过计算其电子分布和态密度的变化,讨论羧基和羟基官能团对碳纳米管电子结构和电子输运特性的影响。计算结果表明,接枝官能团的碳纳米管,其电子结构明显改变,其费米能级上的电子态密度下降;最高占据轨道上的非定域程度减弱,致使电子输运性能呈下降趋势。通过比较两种官能团对碳纳米管的影响发现,虽然接枝羧基或羟基官能团后碳纳米管的电子输运性能都有下降趋势,但下降的程度不一样。接枝羟基官能团使碳纳米管的电子输运能力降低的幅度较接枝羟基时更大;金属型碳纳米管在接枝官能团后电子密度降低的幅度要大于半导体型碳纳米管。另外,我们还尝试性地研究了掺杂对碳纳米管电学性能的影响。我们利用原子替换的方法建立氟掺杂的碳纳米管模型。计算发现,掺氟后叁种碳纳米管的费米能的绝对值都降低了,费米能级上的态密度却增大了,说明氟掺杂后的碳纳米管比纯碳纳米管更有利于场发射。叁种不同结构的碳纳米管在费米能的增幅上有些差异,带宽减小的程度也是不同的,一端封闭的碳纳米管在F掺杂后费米能的增幅最大,说明在制备场发射电极时选择一端封闭的碳纳米管更加有利。
刘红霞[6]2009年在《纳米管异质结电子输运特性研究》文中提出纳米管异质结在纳米电子器件中具有较好的应用前景,而纳米管异质结的电子输运特性是其应用的基础,对其进行研究,不仅具有重要的理论意义,而且具有重要的实用价值,也是当前国内外重视的研究领域。论文采用结合密度泛函理论的非平衡格林函数法,分别对碳/掺氮碳纳米管异质结、碳/碳化硅纳米管异质结和碳/氮化硼纳米管异质结的电子输运特性进行了研究,主要的结论如下:1.碳/掺氮碳纳米管异质结电子输运特性研究碳/掺氮碳纳米管异质结的结构和电子输运特性是该异质结的相关研究的理论基础。本文研究中,首先,建立了(8, 0)碳/掺氮碳纳米管异质结的模型,对该模型进行结构优化的结果显示,在掺氮碳纳米管侧,掺杂氮原子所在碳环的直径有所增大,这与已制备的掺氮碳纳米管呈现“竹节状”是一致的。然后,计算分析了异质结的电子输运特性,结果表明,孤立纳米管异质结的伏安特性有较高的对称性,正负偏压下的开启电压均为1.0 V;耦合于金电极异质结的伏安特性与孤立的不同,在负偏压下伏安特性曲线呈现了较明显的线性关系,正偏压下的伏安特性曲线可分成0.0 V到+0.6 V、+0.6 V到+1.2 V和+1.2 V到+2.0 V叁部分,在这叁个偏压区间内伏安特性都接近为线性,但是第二个偏压区间内电流的增长速度要小于其它两部分。2.碳/碳化硅纳米管异质结电子输运特性研究碳纳米管和碳化硅纳米管是研究较深入的两种纳米管材料,而碳/碳化硅纳米管异质结的结构和电子输运特性是值得研究的领域。本文在这种异质结的研究中,建立了(8, 0)碳/碳化硅纳米管异质结的模型,并对其进行了结构优化,结果可见,异质结的重构主要分布在异质结的界面,碳/碳化硅纳米管界面两侧的第四层原子之外的结构变化可以忽略。孤立和耦合于金电极的碳/碳化硅纳米管异质结的电子输运特性研究表明:孤立异质结导带底和价带顶位于异质结的碳纳米管侧,异质结在正负偏压下的开启电压分别为+1.8 V和-2.2 V;耦合于金电极异质结的伏安特性出现了微分负阻效应,微分负阻效应是偏压引起轨道局域性变化的结果。3.碳/氮化硼纳米管异质结电子输运特性研究碳/氮化硼纳米管异质结是有望制备成功的纳米管异质结,在对其进行的研究中,本文建立了(8, 0)碳/氮化硼纳米管异质结的模型,采用第一性原理计算对该异质结进行了结构优化,优化的结果显示,异质结结构的变化较小,这是由于这两种纳米管的结构具有较高相似性的结果。在结构优化的基础上,对该异质结的电子输运特性进行了研究。研究结果表明,孤立异质结的导带底和价带顶位于碳纳米管侧,异质结具有整流特性;当异质结耦合于金电极后,其电子输运特性发生了显着变化,在正负偏压下都出现了微分负阻效应,该效应是偏压导致异质结分子轨道局域性变化的结果。本文对纳米管异质结结构的研究对于其制备工作的开展具有一定的意义,而对纳米管异质结电子输运特性的研究对其相关电子器件的建模与设计工作具有较高的参考价值。
宋久旭[7]2008年在《碳纳米管、碳化硅纳米管的电子结构及其输运特性的研究》文中研究表明本文首先对碳纳米管和碳化硅纳米管的研究进展进行了较全面的论述,包括其制备、纯化以及应用等,其中较深入的论述碳纳米管的布里渊区及其电学性质相关的应用。接下来对在纳米材料电子结构以及纳米器件输运特性研究中取得较满意结果的密度泛函理论和非平衡格林函数法进行了详细的描述。采用该方法对碳纳米管和碳化硅纳米管的电子结构和输运特性进行了较深入的研究。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对本征和掺杂(8, 0)碳纳米管的结构和电子结构进行了计算。本征(8, 0)碳纳米管的计算结果表明它是典型的直接带隙半导体,其能带间隙为0.46 eV。掺杂碳纳米管拥有与本征纳米管不同的性质,也有更广泛的应用前景,为此分别计算了掺氮和掺硼碳纳米管的电子结构。掺杂的氮原子与其相邻的碳原子形成的氮碳键的键长与本征纳米管对应的碳碳键相比有所增加,这种趋势会随着掺杂浓度的增大而变的更加明显,这与实验制备的掺氮碳纳米管呈现竹节状是一致的。掺杂的氮原子与碳原子相比多出了一个电子,从分子的最高占据轨道可以看出,多出的电子主要分布在氮原子及其相邻的碳原子上。这增加了电子在不同原子间转移的可能性,使得碳纳米管能带间隙有所减小。掺硼碳纳米管结构的变化与掺氮呈现了相同的趋势,掺杂原子所在的碳环的半径有所增大。掺杂的硼原子少出了一个电子,在掺杂原子附近形成了明显的空穴,碳纳米管的能带间隙也有所增大。采用结合密度泛函理论的非平衡格林函数法,对孤立(8, 0)碳纳米管和耦合于金电极的(8, 0)碳纳米管的输运特性进行了计算。从孤立碳纳米管的平衡态(未施加偏压)透射谱可以看出它是半导体型的,这与前面的计算是一致的。其透射谱呈现了明显的台阶状;其伏安特性可以看出当偏压小于1.2 V时几乎没有电流流过纳米管,而大于该偏压时是接近指数关系的。在碳纳米管应用中,通常要与金属电极相连接,为此计算了耦合于金电极的(8, 0)碳纳米管的输运特性,在计算的过程中考虑了长度对输运特性的影响。其结果表明随着长度的增加碳纳米管由金属型转化为半导体型。在金电极与碳纳米管形成接触时,由于功函数的不同,电子会在碳纳米管和电极之间转移,其结果是形成了较明显的带隙态。在长度较短时,带隙态在输运特性中起了重要的作用,但是其影响会随着长度的增长而削弱。这解释了为什么当前实验未观测到带隙态的原因。采用与研究碳纳米管电子结构相同的方法,计算了本征和掺杂(8, 0)碳化硅纳米管的电子结构。本征碳化硅纳米管的结构优化的结果显示碳环的半径要略大于硅环的半径,其电子结构显示,(8, 0)碳化硅纳米管的能带间隙为0.94 eV要大于(8, 0)碳纳米管的,这是由于碳化硅纳米管中碳硅键为含有离子键成分共价键的结果。氮原子与硼原子是碳化硅体材料的常用掺杂原子,在计算掺杂碳化硅纳米管电子结构的过程中仍然选择它们为杂质。在替位掺杂的过程中,参考体碳化硅材料掺杂的结果,氮原子取代碳原子所在的晶格。掺氮碳化硅纳米管结构优化的结果显示一氮掺杂碳化硅纳米管中氮原子与相邻的硅原子形成氮硅键的键长有较明显的减小,而二氮掺杂结构优化的结果表明氮原子倾向占据相邻碳环中位置最接近的碳晶格所在的位置并且在纳米管的表面形成明显的突起。氮原子与碳原子相比多出的电子主要分布在相邻的硅原子上。掺氮碳化硅纳米管的能带间隙会减小。掺硼碳化硅纳米管的几何结构优化的结果显示其所在硅环的半径会减小,从掺硼碳化硅纳米管的最高占据轨道可以看出,在硼原子附近电子出现的概率明显降低,形成明显的空穴态,限制了电子在不同原子间的转移,导致了能带间隙的增大。本文还计算了孤立和耦合于金电极的(7, 0)碳化硅纳米管的输运特性。孤立(7, 0)碳化硅纳米管的透射谱显示碳化硅纳米管为半导体型的,从其伏安特性可以看出电流发生明显变化的偏压为2.2V,要大于碳纳米管的。对耦合于金电极(7, 0)碳化硅纳米管的研究发现,电荷转移导致了带隙态的形成,它们使得透射谱在费米能级附近不为0,其伏安特性在较小偏压下为线性;当偏压在+1.4 V到+1.6V之间,电流随偏压的增大呈现了下降的趋势,这就是微分负阻效应。从不同偏压下系统的透射谱可以看出,偏压导致的传输特性的变化是微分负阻效应产生的原因。
程彩萍[8]2015年在《复合缺陷对低维纳米材料电子输运性能的调控及器件设计》文中研究表明近年来,随着纳米材料的迅速发展,分子器件的研究已经引起了实验设计和理论预测的极大关注。随着电子器件尺寸的缩小和微电子技术的快速发展,分子器件将会替代微电子器件成为当今世界引领科学技术的主导力量。众所周知,各种新型的纳米材料是设计分子器件的基元。低维纳米材料在力学、电学、光学以及热学等方面,尤其是电子输运性能方面的优越性能,使其在电子器件发展过程中发挥了重要的作用。纳米材料在实际生产和制备的过程中,不可避免地会引入缺陷和杂质,影响其材料的力学、电学、光学以及电子输运等特性,这使得含有缺陷和杂质的低维纳米结构的科学研究更加有意义。本文采用密度泛函理论结合非平衡格林函数的第一性原理方法,系统地研究了几种复合缺陷对低维纳米材料电子输运性能的调控效应及器件设计。涉及的研究对象包含:碳纳米管(CNTs)、石墨烯纳米带(GNRs)和硅烯纳米带(Si NRs)等。主要研究内容如下:研究了含氮空位复合缺陷的螺旋手性单壁碳纳米管(SWCNTs)的电子输运性能。计算结果表明在手性SWCNTs中空位和氮原子组成的类嘧啶复合缺陷的引入有效地提高了体系的电子输运性能,并观察到明显的负微分电阻效应和强烈的整流效应。进一步的研究发现,复合掺杂体系输运透射系数在偏压窗口内的变化是产生整流效应的根本原因。研究了含羧化缺陷复合体的手性(8,4)碳纳米管和含羧化硼缺陷复合体的手性(6,3)碳纳米管的电子结构及输运性能。结果表明,(i)对于(8,4)SWCNTs体系,无论是本征缺陷还是含羧基的复合缺陷均在费米能级附近产生了缺陷态。其中,本征缺陷的缺陷态所导致的电子局域化效应阻碍了碳纳米管的电子传导能力,而羧基对本征缺陷的氧化作用却有效地增强了SWCNTs的传输电导。进一步对含羧基缺陷复合体的SWCNTs器件电子输运性能的研究,表明偏压作用下缺陷复合体降低了SWCNTs的电子传导,且器件出现了显着的负微分电阻效应。当且仅当羧基吸附单空位缺陷时,体系出现了强烈的整流效应,这为高性能分子整流器的研究提供了有价值的参考。(ii)对于(6,3)SWCNTs体系,含羧化硼空位复合结构与其他复合缺陷结构相比更加的稳定。其中,羧化硼空位复合缺陷增强了(6,3)SWCNTs的电子传导能力,而羧化硼掺杂和羧化硼SW复合缺陷却阻碍了体系的电子输运通道。进一步研究证实了该现象完全归因于羧基与硼缺陷复合体分子轨道之间的相互耦合作用。这些特殊的现象表明含羧化缺陷复合体碳纳米管在器件研究方面存在潜在的应用价值。研究了硅/氮复合掺杂体(sinx)对扶手椅型石墨烯纳米带(agnrs)的电子结构及输运性能的影响。其中,通过在相邻原子格点嵌入si和n原子而构成sinx复合掺杂体。结果表明sinx复合掺杂体使得agnrs体系在费米能级附近产生杂质态,且掺杂能带随着n原子浓度的增加而向下移动并与费米能级相交。进一步的研究表明杂质能级和施主能级是分离的,并且均受到杂质的微扰作用。在sinx复合掺杂agnrs体系中观察到明显的负微分电阻效应,且该效应随着n浓度的增加而减弱。这说明低n浓度的sinx复合掺杂能够有效的调节扶手椅型石墨烯纳米带的电子传导特性。研究了类相邻磷原子掺杂a格点(aa-p2)对扶手椅型硅烯纳米带(asinrs)的电子结构和输运性能的影响。结果表明,随着aa-p2杂质位置从纳米带中心到边缘掺杂的过程中asinrs发生了半导体性和金属性之间的转化。这完全归因于杂质磷(p)原子与硅(si)原子pz轨道之间的相互耦合。各掺杂体系在低偏压下均出现了对称的负微分电阻效应。然而,随着aa-p2掺杂体从中心到边缘的过程中,负微分电阻效应的对称性逐渐降低。更加有趣的是当且仅当aa-p2位于边缘对角掺杂位置时,体系出现了强烈的整流效应。其次,基于稳定的aa-p2对角掺杂asinrs结构,研究了连接非对称电极的aa-p2掺杂asinrs器件的电子输运性能,其中左电极为理想硅烯纳米带,右电极为aa-p2掺杂硅烯纳米带。结果表明器件的电子输运性能强烈地依赖于纳米带的宽度和aa-p2的掺杂位置。在器件中观察到了强烈的整流行为,且器件的整流效应可以通过改变纳米带的宽度和aa-p2杂质位置得以有效地调控。进一步的研究表明,左右电极能带的匹配区域和对应分子轨道与电子能带之间的耦合作用是产生整流效应的根本原因。研究了氟(f)原子和羟基(-oh)官能团边缘终端对两个正叁角石墨烯纳米片(tgns)顶点相接的分子器件的电子输运及整流性能的影响。计算结果表明f原子和-oh官能团对左边tgns(ltgns)的边缘修饰使得分子器件展现出不同强度和方向的整流行为。原子或官能团对ltgns边缘修饰位置的不同使分子器件出现完全相反的整流方向。而边缘修饰原子或官能团的化学活性直接影响了分子器件的整流强度。进一步的研究表明电荷在相互连接的左右电极与左右tgns截面处的移动所产生的肖特基势垒是影响整流行为的根本原因。这对基于边缘管能化tgns分子整流器的了解和发展是重要的。其次,研究了铝(al)原子和磷(p)原子顶点掺杂正叁角硅烯纳米片(tsins)分子结器件的整流行为。结果表明不同构型的顶点掺杂显着地影响了器件的整流性能。其中,al-si、al-p掺杂器件表现正向整流行为,且al-p体系的整流比更大。相反地,Si-P掺杂体系却表现反向整流行为。这表明左右TSi Ns在顶点的不同掺杂构型能够有效地调控分子结器件的整流效应,为分子整流器的设计提供有利条件。
张向华[9]2015年在《碳纳米管/石墨烯复合异质结输运性质与机理的理论研究》文中进行了进一步梳理随着电子器件微型化的发展,硅基半导体器件已渐近其材料与物理极限。碳基分子器件被认为是取代硅基电子器件的最佳选择。新型碳基材料如石墨烯,碳纳米管等因其优良物理性能正成为制造下一代新型电子器件材料的主力军。近年来,石墨烯/碳纳米管复合材料越来越受到关注,因为它不仅具有石墨烯和碳纳米管各自的各种优良特性,还表现出石墨烯和碳纳米管所不具备的优异物理化学性能,并已可成功应用于电容器、光电器件、储能电池、电化学传感器等领域。本论文采用基于密度泛函理论和非平衡格林函数的第一性原理方法,较系统地研究了多种构型的石墨烯/碳纳米管异质结的电子输运特性。在考虑其动力学稳定性的基础上,重点研究了石墨烯/碳纳米管异质结输运性质与异质结界面结构及所形成的特征环型结构的关系,观察到了与结构细节无关的明显的电学整流效应及因环型结构而导致的自旋过滤效应,并对其机理进行了较为详细的分析。我们研究了侧连石墨烯/碳纳米管异质结。首先把两条半无限长齿型石墨烯纳米带对称地连接在碳纳米管侧壁上,构建出侧连石墨烯纳米带-碳纳米管-石墨烯纳米带异质结结构(GNR-CNT-GNR)。然后采用从头算分子动力学方法验证了其室温热稳定性。接着采用非平衡态格林函数结合自旋极化密度泛函理论研究了它的电子输运性质,结果发现这种侧连异质结具有良好的共振效应和自旋选择输运的特性。最后,通过研究其自旋电荷密度分布,发现碳纳米管和石墨烯纳米带连接处的两条sp3杂化线形成了隔离器,使碳纳米管如同一个电学共振腔,只有满足共振条件(能量和波数)的电子才能通过这个共振腔;由于石墨烯纳米带的电子自旋特性,在费米能附近只有一个自旋方向的电子可能共振通过这个异质结,导致了自旋选择输运特性。该研究成果为实验上设计全碳分子器件以实现自旋注入和自旋过滤等功能提供了理论依据。我们研究了端连石墨烯/碳纳米管异质结。实验上已发现通过部分切割碳纳米管可以得到这个端连异质结,我们研究切割在接触区留下的结构细节对这种异质结电子输运特性的影响。结果发现,这种异质结具有半导体特性,并且具备良好的电流整流效应。更重要的是,整流行为特性曲线具有良好的稳定性,对接触区结构细节不敏感,并且切割越平滑,整流性能越好。此外,我们还发现具有理想接触结构的这种异质结呈现金属特性,且其整流效应比具有实际接触结构的体系要差很多。这些研究成果表明利用端连石墨烯/碳纳米管异质结可实现高效分子整流器件的制备和设计。我们在基于前一章的研究结果上,设计了碳纳米管两端都连接石墨烯纳米带的端连GNR-CNT-GNR异质结结构。研究结果发现连接区的结构细节会明显地影响这种异质结的电子输运特性。我们发现对接越尖锐则应力越大,两套电子结构(GNR与CNT)越能耦合在一起,导致体系呈现金属性,在费米能附近具有连续的电子透射谱,这不利于自旋输运和整流效应。而具有平滑连接的这种异质结却因两套电子结构不能很好地耦合而呈半导体性,具有明显的自旋输运特性。该研究成果有助于设计基于石墨烯纳米带和碳纳米管的一维全碳自旋器件。我们进一步研究了两个接触区的微结构对端连GNR-CNT-GNR异质结电子输运特性的影响。我们研究了对称结构和非对称结构。发现当两个接触区均为对称理想接触时,GNR-CNT-GNR复合异质结表现为金属性。当两个接触区均为对称的实际接触时,存在较强的共振输运,在不同的势垒高度下,GNR-CNT-GNR复合异质结可表现为金属性或半导体性。而当两个接触非对称时,GNR-CNT-GNR复合异质结均表现为半导体性。由于实验室制得GNR-CNT-GNR复合异质结大多为非对称结构,因此实验室制得的GNR-CNT-GNR复合异质结大多表现为半导体性。也可以得到这样的结论,在锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)中插入一段有限长度的扶手椅型碳纳米管时,会将ZGNR的金属性转变为半导体性。这些结果对设计基于石墨烯纳米带和碳纳米管的一维分子器件有很好的应用价值。我们研究了在CNT-GNR复合异质结的不同位置掺杂氮(N)原子对其电子输运特性和整流特性的影响。我们考虑了掺杂N原子的位置分别在碳纳米管段,石墨烯纳米带段和整个器件叁种情况。沿一维CNT-GNR复合异质结的纵向掺杂一排N原子,当N原子的相互距离为锯齿型石墨烯纳米带的叁个原胞距离时,不能改变CNT-GNR复合异质结的半导体属性,但是明显减小了其能隙宽度。在CNT段掺杂N原子会加强导带底电子的输运能力。当在GNR段掺N原子时,会加强价带顶空穴的输运能力。在CNT和GNR都掺杂N原子,则同时加强了导带底电子和价带顶空穴的输运能力。分别在CNT和GNR段掺杂N原子不能改变CNT-GNR复合异质结的整流特性,但在整个器件连续掺杂N原子的CNT-GNR复合异质结不具备整流特性,因为两电极间连续N原子掺杂加强了CNT-GNR复合异质结电子的传输作用。以上研究成果对设计全碳自旋过滤器,整流分子器件提供了很好的理论依据,必将有助于碳基分子电学器件的进一步发展。
戴彤[10]2008年在《碳纳米管及其异构体的制备和小能隙单壁碳纳米管的能带结构研究》文中研究表明碳纳米管是一种新型的碳材料。自从碳纳米管被成功置备以来,碳纳米管的研究已成为当前材料科学领域的前沿课题之一。论文将阐述碳纳米管在现有实验条件下的制备情况,主要介绍在导师实验室中,如何用直流石墨电极放电的电弧法制备出纯度较高的单壁纳米碳管、管绳、管束以及含有异质结的碳纳米管,并介绍了对实验装置和方法所做的革新。碳纳米管的电学性能随石墨平面卷曲的手性矢量的不同而显着变化,从而提供了丰富的金属型和能隙不等的、热稳定性很高的各种半导体型一维材料;其导电性能随异质结的改变而不同的特性,将可能为半导体制造领域提供独特的分子型半导体器件;此外金属性单壁纳米碳管(SWNT)中电子波函数长距离的相干性,提供了连接纳米级电子器件的优质量子导线,使纳米电子器件的大规模集成成为可能;碳纳米管量子点的库仑阻塞及隧穿效应使得碳纳米管可以成为场效应管、单电子隧穿管及电子开关等元器件的理想材料,种种广泛的应用前景使得碳纳米管以能带结构为主的电学特性基础研究显得极为重要。论文将在第叁章讨论碳纳米管电学性质的理论计算和实验研究的一般方法和最新进展本论文在第四章,从费米点漂移的构想角度,将对石墨烯卷曲成单壁碳纳米管(SWNT)时产生的有限弯壁效应和对称性缺失效应,而引起SWNT的固有电学性质的改变,展开能带结构的理论计算和分析。第五章将运用第一性原理的计算方法结合非平衡格林函数(NEGF)和密度泛函理论(DFT)计算带有五元环—七元环拓扑缺陷对的单壁纳米碳管(SWNT)的输运性质。并且运用Tran—C程序包计算了(7,0)—(8,0)和(8,0)—(9,0)两种不同类型的含异质结的单壁碳纳米管的能带结构,并比较了其与理想(7,0)、(8,0)、(9,0)单壁碳纳米管的不同。
参考文献：
[1]. 碳纳米管电子结构及输运特性的研究[D]. 张振华. 湖南大学. 2002
[2]. 低维系统中p电子自旋极化行为及其调控的理论研究[D]. 王佳. 吉林大学. 2018
[3]. 石墨烯纳米带及其复合叁维结构的电子输运特性研究[D]. 潘青彪. 西安电子科技大学. 2014
[4]. 异质掺杂对碳纳米管电子特性和输运性能的影响[D]. 韦建卫. 湖南大学. 2008
[5]. 接枝和掺杂对碳纳米管电学性能的影响[D]. 张华. 湖南大学. 2006
[6]. 纳米管异质结电子输运特性研究[D]. 刘红霞. 西安电子科技大学. 2009
[7]. 碳纳米管、碳化硅纳米管的电子结构及其输运特性的研究[D]. 宋久旭. 西安电子科技大学. 2008
[8]. 复合缺陷对低维纳米材料电子输运性能的调控及器件设计[D]. 程彩萍. 湖南大学. 2015
[9]. 碳纳米管/石墨烯复合异质结输运性质与机理的理论研究[D]. 张向华. 湖南大学. 2015
[10]. 碳纳米管及其异构体的制备和小能隙单壁碳纳米管的能带结构研究[D]. 戴彤. 兰州理工大学. 2008
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