FeN3掺杂扶手椅型石墨烯纳米条带的极强电流极化和微分负导效应

本文运用第一性原理研究了FeN₃掺杂扶手椅型和锯齿型石墨烯纳米条带的电子结构和输运性质. 结果表明,FeN₃掺杂可导致两种类型的条带的能带结构发生显著变化,导致体系具有稳定的室温铁磁基态. 但是,只有扶手椅型条带具有明显的负微分电导和极强的电流极化效应(接近100%). 这是由于FeN₃掺杂引入孤立的两条自旋向下能级,导致极强的电流极化. 同时,它们与自旋向下的不同子能带的耦合强度完全不同,导致体系呈现出负微分电导行为. 结果说明,通过FeN₃掺杂扶手椅型石墨烯纳米条带也可用于制备自旋电子学器件.     

锯齿型石墨烯纳米窄带中量子霍尔体系的电场调控

应用含自洽格点在位库仑作用的Kane-Mele模型,研究锯齿型石墨烯纳米窄带平面内横向电场对边界带能带结构和量子自旋霍尔(QSH)体系的影响.研究结果显示,当电场强度较弱时,外加电场的方向可以调控自旋向下的两个边界带一起朝不同方向移动,导致波矢q=0.5处自旋向下的两个纯边界态的能量简并劈裂方向可由电场调控;当电场强度进一步增强到超过0.69 V/nm,自旋向下的两个边界带出现较大带隙,能带反转,而自旋向上的电子结构无能隙,系统呈现半金属性,同时QSH体系不再是B类.特别当电场强度为1.17 V/nm时,在自旋向下能带的能隙中,q=0.5处存在自旋向上的纯边界态,意味着在8格点边界处可以产生自旋向上的纯边界电流.当电场强度持续增加时,QSH系统从B类到C类经历3个阶段的变化.当电场强度超过1.42 V/nm后,自旋向上的两个边界带也出现能带反转,分别成为导带和价带,系统成为C类的普通量子霍尔体系.     

掺杂六角形石墨烯电子输运特性的研究

锯齿型和扶手椅型六角形石墨烯分别跨接在两Au电极上, 构成分子纳器件, 同时考虑对六角形石墨烯分别进行B, N和BN局部规则掺杂. 利用第一性原理方法, 系统地研究了这些器件的电子输运特性. 计算结果表明: B及BN掺杂到扶手椅型六角形石墨烯, 对其电流有较好的调控效应, 同时发现本征及掺杂后的锯齿型六角形石墨烯均表现为半导体性质, 且N及BN掺杂时, 表现出明显的负微分电阻现象, 特别是N掺杂的情况, 能呈现显著的负微分电阻效应, 这也许对于发展分子开关有重要应用. 通过其透射特性及掺杂诱发的六角形石墨烯电子结构的变化, 对这些结果的内在原因进行了说明.     

通过边缘修饰在非磁性石墨烯基单分子结中引入自旋的理论研究

在分子自旋电子学中,向非磁性的分子器件中注入自旋引起了广泛关注.在此提出一个新颖的策略,将磁性引入到与两个扶手椅形石墨烯纳米带电极耦合的单个苯分子器件中,即将这两个扶手椅形石墨烯纳米带电极的末端切割成锯齿形边缘的三角形石墨烯.利用第一性原理方法研究了分子结的自旋相关输运性质.结果表明,由于锯齿形边缘的三角形石墨烯向扶手椅形石墨烯纳米带电极和苯分子的自旋转移,导致锯齿形边缘三角形石墨烯的本征磁性减弱.有趣的是,虽然锯齿形边缘三角形石墨烯的本征磁性衰减了,但仍对分子结的自旋输运有显著的贡献.输运计算表明,在自旋平行构型下,可以获得较大的电流自旋极化率.然而,在自旋反平行构型下,电流的自旋极化率发生了反转.器件隧穿磁电阻的正负可以通过偏压来调控.这项工作提出了一个在新型分子自旋电子器件中设计和应用石墨烯纳米带的有趣方法.     

基于石墨烯电极的蒽醌分子器件开关特性

研究了基于石墨烯电极的蒽醌分子器件的开关特性.分别选取了锯齿型和扶手椅型的石墨烯纳米带作为电极,考虑蒽醌基团在氧化还原反应下的两种构型,即氢醌(HQ)分子和蒽醌(AQ)分子,构建了双电极分子结,讨论了氧化还原反应和不同的电极结构对蒽醌分子器件开关特性的影响.研究发现,无论是锯齿型石墨烯电极还是扶手椅型石墨烯电极,HQ构型的电流都明显大于AQ构型的电流,即在氧化还原反应下蒽醌分子呈现出显著的开关特性.同时,当选用锯齿型石墨烯电极时其开关比最高能达到3125,选用扶手椅型石墨烯电极时开关比最高能达到1538.此外,当HQ构型以扶手椅型石墨烯为电极时,在0.7-0.75 V之间表现出明显的负微分电阻效应.因此该系统在未来分子开关器件领域具有潜在的应用价值.     

N掺杂对zigzag型石墨烯纳米带的能带结构和输运性质的影响

用第一性原理研究了N掺杂zigzag型石墨烯纳米带(z-GNRs)的能带结构、透射谱和电流电压特性,研究结果表明N掺杂将使得z-GNRs的能带结构中出现能隙,材料从金属转变为半导体;随着杂质浓度的增大,相同偏压下电流明显减小,同时体系费米面附近的透射率逐渐减小;z-GNRs的长度、宽度以及N原子的替代掺杂位置均会对输运性质产生影响,在宽度较小的情况下,掺杂浓度和掺杂位置两种因素共同影响体系的输运性质. 关键词： 石墨烯纳米带 N掺杂 能带结构 输运性质     

含带隙石墨烯纳米带的自旋筛选输运

利用Landauer-Büttiker公式和非平衡格林函数方法，研究了在电荷和自旋偏压共同作用下的扶手椅型石墨烯纳米带的自旋相关的电子输运性质. 当系统存在两种偏压时，不用自旋的电子具有不同的偏压窗口. 同时，含带隙石墨烯纳米带具有与自旋无关的导电电压阈值. 通过设置适当的两种偏压值，系统可以产生易于调节的单一自旋的电流.     

边界修饰醚基的锯齿形石墨烯纳米条带的场发射的第一性原理研究

采用一种基于密度泛函理论计算的自洽方法研究了边界修饰有C-O-C醚基的锯齿形石墨烯纳米条带(包括边界有连续的醚基ZGNR-CE和50%覆盖度的醚基ZGNR-AE)的电子场发射特性. 模拟结果显示两种纳米条带的场发射主要由布里渊区中心且靠近费米面的电子态所决定. 因为具有较低的功函数,ZGNR-CE条带能产生比未修饰的重构锯齿形石墨烯纳米条带强很多的场发射电流;而ZGNR-AE条带有着几乎完全自旋极化的场发射电流,尽管电流不够强. 另外在较低的外电场下,单轴方向的外加应变能有效调控它们的场发射电流,但ZGNR-AE条带的高自旋极化保持不变. 通过分析这些条带的功函数、能带结构以及结合边界电偶极模型,揭示了相关机制.     

石墨烯纳米带电极区N掺杂电子输运性质研究

运用密度泛函理论和非平衡格林函数结合的方法,研究电极区N掺杂对扶手椅型石墨烯纳米带电子输运特性的影响.结果表明,与本征扶手椅型石墨烯纳米带电流-电压曲线相比,宽度为7的石墨烯纳米带电流-电压曲线表现出明显的不对称性,其中心N掺杂表现强烈的整流特性,整流系数达到102数量级,且将N原子从电极区中心位置移动到边缘,整流特性减弱.研究结果表明宽度为7的扶手椅型石墨烯纳米带出现强整流现象的原因主要是负向偏压下能量窗内没有透射峰引起的,该研究结果对将来石墨烯整流器件的设计具有重要的意义.     

次近邻跃迁对石墨烯纳米带输运性质的影响

根据紧束缚模型,利用格林函数的方法,将次近邻跃迁考虑在内,研究了扶手椅型石墨烯纳米带的输运性质.通过数值计算,给出了不同尺寸和不同次近邻跃迁能下系统的能量-电导和电流-电压特征曲线.结果表明,次近邻跃迁对扶手椅型石墨烯纳米带的输运性质有显著的影响.它破坏了电导共振峰关于能量的对称分布,增强了系统的导电性,减小了电子导电偏压阈值,加速了系统输运性能由半导体向导体转变. 次近邻跃迁能和石墨烯纳米带的尺寸越大,这种影响越明显     

基于石墨烯电极的Co-Salophene分子器件的自旋输运

采用基于非平衡格林函数结合第一性原理的密度泛函理论的计算方法,研究了基于锯齿型石墨纳米带电极的Co-Salophene分子器件的自旋极化输运性质.计算结果表明,当左右电极为平行自旋结构时,自旋向上的电流明显大于自旋向下的电流,自旋向下的电流在[-1V,1V]偏压下接近零,分子器件表现出优异的自旋过滤效应.与此同时,在自旋向上电流中发现负微分电阻效应.当左右电极为反平行自旋结构时,器件表现出双自旋过滤和双自旋分子整流效应.除此之外,整个分子器件还表现出较高的巨磁阻效应.通过分析器件的自旋极化透射谱、局域态密度、电极的能带结构和分子自洽投影哈密顿量,详细解释该分子器件表现出众多特性的内在机理.研究结果对设计多功能分子器件具有重要的借鉴意义.     

金掺杂锯齿型石墨烯纳米带的电磁学特性研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了金原子填充锯齿型石墨烯纳米带 (ZGNRs)中双空位结构的电磁学特性. 计算结果表明: 边缘位置是金原子的最稳定掺杂位置, 杂质原子的引入导致掺杂边缘的磁性被抑制, 不过掺杂率足够大时, 掺杂边缘的磁性反而恢复了. 金掺杂纳米带的能带结构对掺杂率敏感: 随着掺杂率的增大, 掺杂纳米带分别表现半导体特性、半金属特性以及金属特性. 本文的计算表明金原子掺杂可以调制ZGNR的磁性以及能带特性, 为后续实验起指导作用, 有利于推动石墨烯材料在自旋电子学方面的应用.     

Nb-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO_2电子结构的第一性原理研究

本文采用第一性原理方法研究了Nb-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO_2能带结构与态密度,探讨了其磁性产生的机理.研究结果表明,Nb-Y共掺杂SnO_2体系自旋向上和自旋向下的能带、态密度完全对称,总磁矩为0μB;Nb-Zr共掺杂的SnO_2体系自旋向上和自旋向下的能带与态密度在费米能级处都出现了不对称的情况,出现耦合现象,其总磁矩为0.933μB;分析Nb-Y共掺杂SnO_2的能带结构与态密度得到自旋向上和自旋向下的能带禁带中的4条杂质能级来源于Nb-Y共掺杂SnO_2电子的施主与受主能级;NbZr共掺杂SnO_2体系产生磁性的原因在于Nb和Zr的d轨道的引入.     

单空位缺陷诱导的扶手椅型石墨烯纳米带电学性能的转变

本文基于密度泛函理论的第一性原理计算了单空位缺陷对 扶手椅型石墨烯纳米带电学特性的影响. 计算结果表明: 当单空位位于纳米带边缘位置时, 系统结构最稳定. 不同位置上单空位缺陷的引入都会使得原本为半导体的本征 扶手椅型石墨烯纳米带变成金属性; 随着单空位浓度的减小, 其对纳米带能带结构的影响逐渐减弱; 随着纳米带宽度的增大, 表征其金属性的特征值表现出震荡性的减弱. 单空位缺陷诱导的扶手椅型纳米带的半导体特性到金属特性的转变为石墨烯在 电子器件中的应用提供了理论指导. 关键词： 扶手椅型石墨烯纳米带 单空位缺陷 电学性能     

氮掺杂石墨烯纳米结构的等离激元激发（英文）

基于含时密度泛函理论,研究了氮掺杂石墨烯纳米结构的等离激元特性。吡啶型氮掺杂不影响石墨烯纳米结构的等离激元激发特性,而取代型氮掺杂主要基于石墨烯纳米结构对称性的改变和体系中电子密度的增加来影响石墨烯纳米结构的等离激元共振。相对于纯六角石墨烯纳米结构,在低能共振区,取代型氮掺杂六角石墨烯纳米结构的等离激元共振能量发生了红移。相对于纯矩形石墨烯纳米结构,在低能共振区,取代型氮掺杂矩形石墨烯纳米结构沿扶手椅型边界方向激发时,其等离激元共振能量发生了蓝移;沿Z字型边界激发时,其主要的等离激元共振模式受掺杂氮的影响较小。     

碱土金属X（X=Be，Mg，Ca和Sr）掺杂二维SnS2材料的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理研究赝势平面波方法,计算了碱土金属X(X=Be, Mg, Ca和Sr)掺杂二维单层SnS₂的电子结构、磁学性质和光学性质.结果表明：S-rich条件下的体系相较于Sn-rich更稳定,能带结构表明：在Be掺杂后,SnS₂体系从自旋向上通道和自旋向下通道完全对称的非磁性半导体转变为具有1.999μ_B磁矩的磁性半导体.在Mg掺杂后,体系转变为非磁性P型半导体;Ca和Sr两种掺杂体系由于极化程度的不同,导致在下自旋通道的能带穿过费米能级,而在上自旋通道的能带并未穿过费米能级,呈现出磁矩分别为1.973、2.000μ_B的半金属特性.同时发现X(X=Be, Mg, Ca和Sr)掺杂后,掺杂体系实部静态介电常数大幅度增加,掺杂后的SnS₂体系的极化能力增强,虚部数值在低能区明显变大,更适用于长波长光电器. Be, Mg, Ca和Sr掺杂不仅导致吸收边红移,而且提高了红外光区域的有效利用率.     

BN链掺杂的石墨烯纳米带的电学及磁学特性

基于密度泛函理论第一性原理系统研究了BN链掺杂石墨烯纳米带(GNRs)的电学及磁学特性, 对锯齿型石墨烯纳米带(ZGNRs)分非磁态(NM)、反铁磁态(AFM)及铁磁性(FM)三种情况分别进行考虑. 重点研究了单个BN链掺杂的位置效应. 计算发现: BN链掺杂扶手椅型石墨烯纳米带(AGNRs) 能使带隙增加, 不同位置的掺杂, 能使其成为带隙丰富的半导体. BN链掺杂非磁态ZGNR的不同位置, 其金属性均降低, 并能出现准金属的情况; BN链掺杂反铁磁态ZGNR, 能使其从半导体变为金属或半金属(half-metal), 这取决于掺杂的位置; BN链掺杂铁磁态ZGNR, 其金属性保持不变, 与掺杂位置无关. 这些结果表明: BN链掺杂能有效调控石墨烯纳米带的电子结构, 并形成丰富的电学及磁学特性, 这对于发展各种类型的石墨烯基纳米电子器件有重要意义. 关键词： 石墨烯纳米带 BN链掺杂 输运性质 自旋极化     

B/N掺杂对于石墨烯纳米片电子输运的影响

选用锯齿(zigzag)型石墨烯纳米片为研究对象, Au作为电极, 分子平面与Au的(111)面垂直, 并通过末端S原子化学吸附于金属表面, 构成两种分子器件: 一种是在纳米片的边缘掺杂N(B)原子, 发现电流-电压具有非线性行为, 但是整流系数较小, 特别是掺杂较多时, 整流具有不稳定性; 另一种是用烷链把两个石墨烯片连接, 在烷链附近和石墨烯片的边缘进行N(B)掺杂, 发现在烷链附近掺杂具有较大的整流, 但是掺杂的原子个数和位置会影响整流性能. 研究表明: 整流主要为正负电压下分子能级的移动方向和空间轨道分布不同导致. 部分体系中的负微分电阻现象主要由于偏压导致能级移动和透射峰形态的改变, 并且在某些偏压下主要透射通道被抑制而引起. 关键词： 石墨烯纳米片 电子输运 整流行为 非平衡格林函数方法     

界面铁掺杂锯齿形石墨烯纳米带的自旋输运性能

基于密度泛函理论第一原理系统研究了界面铁掺杂锯齿(zigzag)形石墨烯纳米带的自旋输运性能, 首先考虑了宽度为4的锯齿(zigzag)形石墨烯纳米带, 构件了4个纳米器件模型, 对应于中心散射区的长度分别为N=4, 6, 8和10个石墨烯单胞的长度, 铁掺杂在中心区和电极的界面. 发现在铁磁(FM)态, 四个器件的β自旋的电流远大于α自旋的电流, 产生了自旋过滤现象; 而界面铁掺杂的反铁磁态模型, 两种电流自旋都很小, 无法产生自旋过滤现象; 进一步考虑电极的反自旋构型, 器件电流显示出明显的自旋过滤效应. 探讨了带宽分别为5和6的纳米器件的自旋输运性能, 中心散射区的长度为N=6个石墨烯单胞的长度, FM 态下器件两种自旋方向的电流值也存在较大的差异, β自旋的电流远大于α自旋电流. 这些结果表明: 界面铁掺杂能有效调控锯齿形石墨烯纳米带的自旋电子, 对于设计和发展高极化自旋过滤器件有重要意义.     

边缘重构对锯齿型石墨烯纳米带电子输运的影响

实验研究表明石墨烯纳米带中广泛地存在边缘结构重构且稳定的边缘缺陷结构.本文采用第一性原理的计算方法研究了锯齿型石墨烯纳米带中边缘结构重构形成的两种不同缺陷结构对材料电子输运性能的影响.研究发现两种缺陷边缘结构对稳定纳米尺度位型结构和电子能带结构具有显著影响,它使得费米能级发生移动并引起了共振背散射.两种边缘缺陷重构均抑制了费米能级附近电子输运特性并导致不同区域的电子完全共振背散射,电导的抑制不仅与边缘缺陷结构的大小有关,它更取决于边缘缺陷重构位型引起的缺陷态的具体分布和电子能带的移动.