边修饰GeS2纳米带的电子特性及调控效应

GeS₂单层已成功制备,为了进一步扩展其应用范围以及发现新的物理特性,我们构建扶手椅型GeS₂纳米带(AGeS₂NR)模型,并采用不同浓度的H或O原子进行边缘修饰,且对其结构稳定性、电子特性、载流子迁移率以及物理场调控效应进行深入研究.研究表明边修饰纳米带具有良好的能量与热稳定性.裸边纳米带是无磁半导体,而边修饰能改变AGeS₂NR的带隙,使其成为宽带隙或窄带隙半导体,或金属,这与边缘态消除或部分消除或产生杂化能带有关,所以边缘修饰调控扩展了纳米带在电子器件及光学器件领域的应用范围.此外,计算发现载流子迁移率对边缘修饰十分敏感,可以调节纳米带载流子迁移率(电子、空穴)的差异达到1个数量级,同时产生载流子极化达到1个数量级.研究还表明半导体性纳米带在较大的应变范围内具有保持电子相不变的鲁棒性,对于保持相关器件电子输运的稳定性是有益的.绝大部分半导体性纳米带在较高的外电场作用下,都具有保持半导体特性不变的稳定性,但带隙随电场增大而明显变小.总之,本研究为理解GeS₂纳米带特性并研发...     

边缘修饰的石墨烯纳米带电子特性的第一性原理研究

本文采用第一性原理计算方法,研究了zigzag型石墨烯纳米带在边缘采用不同基团（包括氢原子、羟基、酮基、氢和羟基共同饱和）进行修饰后电子特性的改变,计算了能带结构、态密度和电荷差分密度。结果分析表明,不同基团修饰的影响本质上可归结于不同的边缘杂化方式。边缘sp2杂化方式对GNRs体系内层原子的电子状态影响很小,没有改变zigzag-GNRs的金属性;而边缘sp3杂化的体系在能带结构中打开了一个带隙,此带隙随纳米带宽度的增加而逐渐减小。其中GNRs-H2 体系和GNRs-H2O体系发生了由金属性向半导体性的转变,而GNRs-O体系费米能级升高并且进入了导带,依然呈现金属性。利用这种边缘修饰非常易于调控GNRs的电子能带结构。     

边缘修饰的石墨烯纳米带电子特性的第一性原理研究

本文采用第一性原理计算方法,研究了zigzag型石墨烯纳米带在边缘采用不同基团（包括氢原子、羟基、酮基、氢和羟基共同饱和）进行修饰后电子特性的改变,计算了能带结构、态密度和电荷差分密度。结果分析表明,不同基团修饰的影响本质上可归结于不同的边缘杂化方式。边缘sp2杂化方式对GNRs体系内层原子的电子状态影响很小,没有改变zigzag-GNRs的金属性;而边缘sp3杂化的体系在能带结构中打开了一个带隙,此带隙随纳米带宽度的增加而逐渐减小。其中GNRs-H2 体系和GNRs-H2O体系发生了由金属性向半导体性的转变,而GNRs-O体系费米能级升高并且进入了导带,依然呈现金属性。利用这种边缘修饰非常易于调控GNRs的电子能带结构。     

扶手椅型C3B纳米带:结构稳定性、电子特性及调控效应

单层C₃B是典型的类石墨烯二维材料,已在实验上成功制备.采用密度泛函理论方法(DFT)研究了扶手椅型单层C₃B纳米带的结构稳定性、电子性质及物理调控效应,计算结果表明:对于裸边纳米带,如果带边缘全由C原子组成(AA型),则电子相为半导体;两个带边缘均由C与B原子混合组成时(BB型),则纳米带的电子相为金属;而纳米带的一边由C原子组成、另一边由B与C原子混合构成(AB型),则纳米带的电子相为金属.这说明纳米带边缘的B原子对于纳米带成为金属或半导体起决定作用.而对于H端接的纳米带,它们全部为直接或间接带隙半导体.H端接的纳米带载流子迁移率一般比裸边纳米带低,这与它们较大的有效质量及较高的形变势有密切关系.同时发现半导体性质的纳米带对物理调控非常敏感,特别是在压应变和外电场作用下,纳米带的带隙明显变小,这有利于对光能的吸收和研发光学器件.     

石墨烯纳米带卷曲效应对其电子特性的影响

石墨烯纳米带 (GNRs) 是一种重要的纳米材料, 碳纳米管可看作是GNRs卷曲而成的无缝圆筒. 利用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 系统研究了GNRs卷曲变形到不同几何构型时, 其电子特性, 包括能带结构 (特别是带隙) 、态密度、透射谱的变化规律. 结果表明: 无论是锯齿型GNRs (ZGNRs) 或扶手椅型GNRs (AGNRs), 在其卷曲成管之前, 其电子特性对卷曲形变均不敏感, 这意味着GNRs的电子结构及输运特性有较强地抵抗卷曲变形的能力. 当GNRs 卷曲成管后, ZGNRs和AGNRs表现出完全不同的性质, ZGNRs几乎保持金属性不变或变为准金属; 但AGNRs的电子特性有较大的变化, 出现不同带隙半导体、准金属之间的转变, 这也许密切关系到碳纳米管管口周长方向上的周期性边界条件及量子禁锢的改变. 这些研究对于了解GNRs电子特性的卷曲效应、以及GNRs与碳纳米管电子特性的关系 (结构与特性的关系) 有重要意义. 关键词： 石墨烯纳米带 卷曲效应 电子特性 密度泛函理论     

石墨烯纳米结构的制备及带隙调控研究

石墨烯在未来微电子学领域有极大的应用前景,但是其零带隙的特点阻碍了石墨烯在半导体领域的应用.研究发现,打开室温下可用的石墨烯带隙所需要的石墨烯纳米结构尺度在10 nm以下,这一尺度的纳米结构一方面制备比较困难,另一方面器件可承载的驱动电流较小.因此,如何实现亚10 nm石墨烯纳米结构的有效加工以及如何在有效调控带隙的基础上增大石墨烯器件可承载的驱动电流,还需要进一步的研究.本文首先研究了利用聚甲基丙烯酸甲酯/铬(PMMA/Cr)双层结构工艺,通过刻蚀时间的控制,利用电子束曝光及刻蚀工艺实现了亚10 nm石墨烯纳米结构的可控制备.同时设计并制备了单排孔石墨烯条带结构,该结构打开的带隙远大于相同特征宽度石墨烯纳米带所能打开带隙的大小.该结构在有效打开石墨烯带隙的同时,增加了石墨烯纳米结构可以承载的驱动电流,有利于石墨烯在未来微电子领域的应用.     

周期性纳米洞内边缘氧饱和石墨烯纳米带的电子特性

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了内边缘氧饱和的周期性凿洞石墨烯纳米带（G NR）的电子特性. 研究结果表明：对于凿洞锯齿形石墨烯纳米带（ZGNRs）,在非磁性态时不仅始终为金属,且金属性明显增强;反铁磁态（AFM）时为半导体的ZGNR,凿洞后可能成为金属;但铁磁态（FM）为金属的ZGNR,凿洞后一般变为半导体或半金属. 而对于凿洞的扶手椅形石墨烯（AGNRs）,其带隙会明显增加. 深入分析发现：这是由于氧原子对石墨烯纳米带边的电子特性有重要的影响,以及颈次级纳米带（NSNR）及边缘次级纳米带（ESNR）的不同宽度及边缘形状（锯齿或扶手椅形）能呈现出不同的量子限域效应. 这些研究对于发展纳米电子器件有重要的意义. 关键词： 石墨烯纳米带 纳米洞 内边缘氧饱和 电子特性     

应变石墨烯纳米带谐振特性的分子动力学研究

从动势能转换与守恒原理出发,在微正则(NVE)系综下,采用COMPASS力场对石墨烯纳米带及其应变传感器的谐振特性进行了分子动力学模拟.研究发现,非线性响应主导了石墨烯纳米带的动态行为,而其超高的基波频率则与长度和边界条件密切相关;单轴拉伸应变对石墨烯纳米带基波频率的影响显著且强烈依赖于边界条件,四边固支型应变石墨烯纳米带具有更高的频移,其灵敏度可高达7800 Hz/nanostrain,远大于相同长度碳纳米管应变传感器的灵敏度;石墨烯纳米带及其应变传感器的谐振特性均与手性无关.本文所得结果表明,由于超低 关键词： 石墨烯纳米带 分子动力学 应变 基波频率     

电场调控双层石墨烯纳米带的电子结构和光学性质

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了外加电场作用下双层AA堆垛的Armchair边缘石墨烯纳米带(BAGNRs)的电子结构和光学性质. BAGNRs具有半导体特性,其带隙随带宽(宽度为4～12个碳原子)的增加而振荡性减小.当施加电场后,BAGNRs的带隙随着电场强度的增加而逐渐减小,带隙越大对电场值的变化越敏感.当电场值为0.5 V/?时,所有BAGNRs的带隙都为零. BAGNRs具有各向异性的光学性质,其介电函数在垂直极化方向为半导体特性,而在平行极化方向为金属特性.在外加电场的作用下,BAGNRs的介电函数、吸收系数、折射系数、反射系数、电子能量损失系数和光电导率,其峰值向低能量区域移动,即产生红移现象.电场增强了能带间的跃迁几率.纳米带宽度对这些光学性质参数具有不同程度的影响.研究结果解释了电场调控BAGNRs光学性质的规律和微观机理.     

氮化硼纳米片的电子结构和自旋调控

单层氮化硼纳米材料具有与石墨烯相似的原子排列方式, 但是由于硼原子和氮原子之间的电荷转移, 两种材料的电子特性具有较大的差异. 本文采用Hubbard模型和量子力学第一性原理计算相结合的方法研究了具有氢原子饱和的锯齿型边界的三角形氮化硼纳米片(Nanoflake) 的电子结构, 发现：与相应的石墨烯纳米片不同, 出现在氮化硼纳米片费米能级附近的零能态(zero-energy-states)要么被电子完全占据, 要么是全空的, 表现出自旋简并的特点; 通过对氮化硼纳米片进行电子(或空穴)掺杂可以有效地调控"零能态"上的电子占据, 进而对氮化硼纳米片的自旋进行调控. 这将为氮化硼纳米材料在自旋电子学等领域的应用提供重要的理论依据. 关键词： 氮化硼纳米片 电子结构调控 Hubbard 模型 量子力学第一性原理     

Zigzag型石墨纳米带电子结构和输运性质的第一性原理研究

采用第一性原理电子结构和输运性质计算研究了zigzag型单层石墨纳米带(具有armchair 边缘)的电子结构和输运性质及其边缘空位缺陷效应. 研究发现,完整边缘的zigzag型石墨纳米带是具有一定能隙的半导体带,边缘空位缺陷的存在使得纳米带能隙变小,且缺陷浓度越大,能隙越小,并发生了半导体-金属转变. 利用这些研究结果,将有助于在能带工程中实现其电子结构裁剪. 关键词： 石墨纳米带 空位缺陷 电子结构 输运性质     

Zigzag型石墨纳米带电子结构和输运性质的第一性原理研究

采用第一性原理电子结构和输运性质计算研究了zigzag型单层石墨纳米带(具有armchair 边缘)的电子结构和输运性质及其边缘空位缺陷效应. 研究发现，完整边缘的zigzag型石墨纳米带是具有一定能隙的半导体带，边缘空位缺陷的存在使得纳米带能隙变小，且缺陷浓度越大，能隙越小，并发生了半导体-金属转变. 利用这些研究结果，将有助于在能带工程中实现其电子结构裁剪.     

双空位缺陷石墨纳米带的电子结构和输运性质研究

基于第一原理电子结构和输运性质计算,研究了585双空位拓扑缺陷对锯齿（zigzag）型石墨纳米带（具有椅型（armchair）边）电子结构和输运性质的影响.研究发现,585双空位缺陷的存在使得锯齿型石墨纳米带的能隙增大,并在能隙中出现了一条局域于缺陷处的缺陷态能带,双空位缺陷的取向也影响其能带结构.另外,585双空位缺陷对能隙较小的锯齿型石墨纳米带输运性质的影响较大,而对能隙较大的锯齿型石墨纳米带影响很小,缺陷取向并不显著影响纳米带的输运性质. 关键词： 石墨纳米带 585空位缺陷 电子结构 输运性质     

Strain engineering of electronic and magnetic properties of Ga_2S_2 nanoribbons

Using first-principles calculations, we study the tailoring of the electronic and magnetic properties of gallium sulfide nanoribbons(Ga_2S_2NRs) by mechanical strain. Hydrogen-passivated armchair-and zigzag-edged NRs(ANRs and ZNRs)with different widths are investigated. Significant effects in band gap and magnetic properties are found and analyzed. First,the band gaps and their nature of ANRs can be largely tailored by a strain. The band gaps can be markedly reduced, and show an indirect-direct(I-D) transition under a tensile strain. While under an increasing compressive strain, they undergo a series transitions of I-D-I-D. Five strain zones with distinct band structures and their boundaries are identified. In addition,the carrier effective masses of ANRs are also tunable by the strain, showing jumps at the boundaries. Second, the magnetic moments of(ferromagnetic) ZNRs show jumps under an increasing compressive strain due to spin density redistribution,but are unresponsive to tensile strains. The rich tunable properties by stain suggest potential applications of Ga_2S_2 NRs in nanoelectronics and optoelectronics.     

单空位缺陷对石墨纳米带电子结构和输运性质的影响

基于第一性原理电子结构和输运性质计算,研究了单空位缺陷对单层石墨纳米带(包括zigzag型和armchair型带)电子性质的影响.研究发现,单空位缺陷使石墨纳米带在费米面上出现一平直的缺陷态能带;单空位缺陷的引入使zigzag型半导体性的石墨纳米带变为金属性,这在能带工程中有重要的应用价值;奇数宽度的armchair型石墨纳米带表现出金属特性,有着很好的导电性能,同时,偶数宽度的armchair型石墨带虽有金属性的能带结构,但却有类似半导体的伏安特性;单空位缺陷使得奇数宽度的armchair石墨纳米带导电 关键词： 石墨纳米带 单空位缺陷 电子结构 输运性质     

Strain effect on transport properties of hexagonal boronben nitride nanoribbons

The transport properties of hexagonal boron--nitride nanoribbons under the uniaxial strain are investigated by the Green's function method. We find that the transport properties of armchair boron--nitride nanoribbon strongly depend on the strain. In particular, the features of the conductance steps such as position and width are significantly changed by strain. As a strong tensile strain is exerted on the nanoribbon, the highest conductance step disappears and subsequently a dip emerges instead. The energy band structure and the local current density of armchair boron--nitride nanoribbon under strain are calculated and analysed in detail to explain these characteristics. In addition, the effect of strain on the conductance of zigzag boron--nitride nanoribbon is weaker than that of armchair boron nitride nanoribbon.     

Strain effect on transport properties of hexagonal boron—nitride nanoribbons

<正>The transport properties of hexagonal boron-nitride nanoribbons under the uniaxial strain are investigated by the Green's function method.We find that the transport properties of armchair boron-nitride nanoribbon strongly depend on the strain.In particular,the features of the conductance steps such as position and width are significantly changed by strain.As a strong tensile strain is exerted on the nanoribbon,the highest conductance step disappears and subsequently a dip emerges instead.The energy band structure and the local current density of armchair boron-nitride nanoribbon under strain are calculated and analysed in detail to explain these characteristics.In addition,the effect of strain on the conductance of zigzag boron-nitride nanoribbon is weaker than that of armchair boron nitride nanoribbon.     

Modulation of electronic structure properties of C/B/Al-doped armchair GaN nanoribbons

ABSTRACT

The electronic structures of C/B/Al-doped armchair GaN nanoribbons (aGaNNRs) are systematically studied by using density functional theory. We find that the original aGaNNRs are direct band gap semiconductors and that the gaps monotonically decrease with increasing widths. Interestingly, the B- or Al-doped aGaNNRs are also direct-band gap semiconductors with a slightly larger gap than their undoped aGaNNRs, while the C-doped aGaNNRs display metallic characteristics with an impurity state across the Fermi level in band structures. The semiconducting or metallic behaviours of C/B/Al-doped aGaNNRs can be explained by the orbital coupling between the extrinsic atom and primary Ga, N in their partial density of states. Our results show a useful way to modulate the band gaps of aGaNNRs.

Using the density-functional theory, we performed a theoretical research to study the electronic structures of C/B/Al-doped armchair gallium nitride nanoribbons. The calculated band structures show that the perfect and original aGaNNRs are direct semiconductors regardless of ribbon widths, and gaps monotonically decrease with increasing the widths. The B/Al-doped aGaNNRs are semiconductors with a slightly larger gap, while metallic behavior presents in C-doped aGaNNRs with an impurity band across the EF. The results show a useful way to modulate the band gaps of aGaNNRs.