低維碳、硅結(jié)構(gòu)納電子效應(yīng)及其納功能器件設(shè)計(jì).pdf

1、隨著器件小型化的不斷發(fā)展和集成度的不斷提高,傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體器件已經(jīng)逼近了其極限尺寸。與此同時(shí),隨著實(shí)驗(yàn)制備工藝和合成技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的納米材料和納米結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)出來(lái)。其中,以石墨烯、碳納米管為代表的碳納米結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出豐富的結(jié)構(gòu)形式和獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì),被普遍認(rèn)為是下一代納電子器件的基礎(chǔ)材料。令人驚喜的是,與碳同屬一個(gè)主族的硅,最近發(fā)現(xiàn)其也可以形成與石墨烯結(jié)構(gòu)相類(lèi)似的硅烯結(jié)構(gòu),通過(guò)金屬摻雜,還可以形成與碳納米管結(jié)構(gòu)相類(lèi)似的硅納米管結(jié)構(gòu)。這

2、些新結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn),使得硅基器件迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇,并且硅基結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)更好地相容。隨著研究的深入,納米結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含的各種量子效應(yīng)不斷被發(fā)現(xiàn),并被用來(lái)設(shè)計(jì)各種納電子器件?；诖?我們采用密度泛函結(jié)合非平衡格林函數(shù)的方法,研究了幾種典型的碳、硅納米結(jié)構(gòu)及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的電子輸運(yùn)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)了一系列新的電子輸運(yùn)現(xiàn)象,通過(guò)分析,解釋了其中的物理機(jī)制,設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了相應(yīng)的新型納電子器件。
　　本文的主要內(nèi)容如下:
　　第一章介紹了碳

3、、硅納米結(jié)構(gòu)及納電子學(xué)的相關(guān)理論和功能器件應(yīng)用,給出了本文的研究?jī)?nèi)容概述。
　　第二章介紹了本文的理論研究基礎(chǔ)和計(jì)算方法,其中包括:密度泛函理論、Landauer理論、非平衡格林函數(shù)理論。
　　第三章研究了新合成的管狀富勒烯結(jié)構(gòu)D5h(1)-C90的輸運(yùn)性質(zhì),在電流-電壓曲線中發(fā)現(xiàn)了三個(gè)負(fù)微分電阻區(qū),并且這些負(fù)微分電阻可以通過(guò)柵極電壓進(jìn)行調(diào)控,分析表明,由偏壓和柵壓引起的電荷轉(zhuǎn)移、分子-電極耦合強(qiáng)度二者的改變是造成這些現(xiàn)象的

4、原因。
　　第四章研究了“二維/一維/二維”純碳π共軛納米結(jié)構(gòu)(“石墨片/碳原子鏈/石墨片”和“苯環(huán)/碳原子鏈/苯環(huán)”)的輸運(yùn)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)了構(gòu)型變化引起的開(kāi)關(guān)效應(yīng)。通過(guò)研究,發(fā)現(xiàn)二維和一維結(jié)構(gòu)中透射通道的空間不對(duì)稱(chēng)是導(dǎo)致開(kāi)關(guān)效應(yīng)的物理機(jī)制,而且可以推廣到金屬系統(tǒng)。我們提出并構(gòu)筑了最小的純碳邏輯門(mén)以及其它器件。由于原子的移動(dòng)可以直接對(duì)信息進(jìn)行處理,因而我們的開(kāi)關(guān)效應(yīng)和器件非常適合用于納米機(jī)械控制領(lǐng)域。
　　第五章我們提出并研究了

5、兩種純碳結(jié)構(gòu)(“非對(duì)稱(chēng)接觸構(gòu)型碳原子鏈-碳納米管”和“局域H飽和石墨帶”)的輸運(yùn)性質(zhì)。在第一種構(gòu)型中,我們發(fā)現(xiàn)原子鏈和碳納米管的非對(duì)稱(chēng)接觸可以實(shí)現(xiàn)電流的自旋極化,無(wú)需摻雜、鐵磁電極、和外加電場(chǎng)。通過(guò)改變管徑和管長(zhǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)100％的自旋電流過(guò)濾。在第二種構(gòu)型中,我們發(fā)現(xiàn)靠近石墨帶邊界的 H飽和會(huì)抑制其邊緣磁矩,導(dǎo)致費(fèi)米面處透射為零,但是在費(fèi)米面兩側(cè)存在兩個(gè)不同自旋的透射峰,提出并驗(yàn)證了施加?xùn)艠O的三端器件可以實(shí)現(xiàn)柵壓控制電流自旋極化率,幾乎

6、從100%變化到-100%,可以用作電控、純碳、雙向自旋過(guò)濾器。另外,我們發(fā)現(xiàn)了一大批石墨帶構(gòu)型可用于此應(yīng)用。
　　第六章分別研究了Co、Mn摻雜Si納米管耦合Cu電極的自旋輸運(yùn)性質(zhì)。在Co摻雜納米管中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米管的管長(zhǎng)增加時(shí),電子透射出現(xiàn)了從自旋未極化到自旋極化的轉(zhuǎn)變,研究表明,這種轉(zhuǎn)變的發(fā)生是由Cu電極對(duì)于邊緣Co原子磁矩的屏蔽作用以及Co原子之間自旋不對(duì)稱(chēng)的相互作用共同導(dǎo)致的。在Mn摻雜Si納米管中,我們發(fā)現(xiàn)柵壓可以調(diào)控電

7、子透射的自旋極化率從0變到90%。研究發(fā)現(xiàn),柵壓對(duì)Si、Mn間電子轉(zhuǎn)移的調(diào)節(jié)是內(nèi)在的物理機(jī)理。另外,我們還研究了鐵磁態(tài)硅烯納米帶中溫度與自旋電流的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了自旋塞貝克效應(yīng)的存在,同時(shí),還發(fā)現(xiàn)自旋電流會(huì)隨著電極溫度的升高,出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)對(duì)透射譜和費(fèi)米分布函數(shù)的分析,發(fā)現(xiàn)自旋電流的變化是由于二者受溫度影響共同作用所導(dǎo)致的。通過(guò)對(duì)比石墨帶中的自旋塞貝克效應(yīng),發(fā)現(xiàn)硅烯中的自旋電流要比石墨烯中的大一個(gè)數(shù)量級(jí),更有利于應(yīng)用。分析

8、表明,二者的不同是由于石墨帶中透射峰遠(yuǎn)離費(fèi)米面所導(dǎo)致的。
　　第七章研究了一種具有穩(wěn)定螺旋結(jié)構(gòu)的分子—“螺烯”的輸運(yùn)性質(zhì),該分子兼具單層和多層石墨烯的結(jié)構(gòu)特征。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)螺烯分子的面間距發(fā)生改變時(shí),分子導(dǎo)電性呈現(xiàn)先減小后增大的U型變化趨勢(shì)。分析表明,這是由電子的層間透射和層內(nèi)透射相互競(jìng)爭(zhēng)所導(dǎo)致的。通過(guò)替換Au電極以及邊緣原子的方式,檢驗(yàn)了螺烯的導(dǎo)電性變化。結(jié)果表明,U型曲線是螺烯分子結(jié)構(gòu)所特有的本質(zhì)屬性,并不隨這些因素的改變而發(fā)