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     

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.     

基于石墨烯电极的齐聚苯乙炔分子器件的整流特性

以齐聚苯乙炔分子为研究对象,采用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理方法,对基于石墨烯电极的齐聚苯乙炔分子器件整流特性进行了研究,系统地分析了官能团对分子器件整流特性的影响.通过研究发现,官能团对齐聚苯乙炔分子器件整流特性影响显著,当添加失电子官能团氨基(NH_2)时出现正向整流,添加得电子官能团硝基(NO_2)时出现反向整流,当同时添加氨基和硝基官能团时,会出现正反向整流交替现象,研究结果表明通过添加不同类型的官能团能有效控制分子整流器的整流特性.     

端基对分子器件整流性质的影响

利用基于非平衡Green函数加密度泛函理论的第一原理方法,研究了以S(Se)为端基的三并苯环分子夹在两半无限长的Au电极之间构成双探针系统的输运特性,发现体系具有较好的整流效应,最大整流系数达到6;用H取代右端同一位置的一个S（Se）,整流行为明显减弱.分析认为,这种整流是由于分子两端与电极的耦合不对称,使正负偏压下分子能级的移动和空间轨道分布不同所致.比较而言,S端基与电极的耦合导致的整流比Se强. 关键词： 电子输运 整流行为 非平衡Green函数方法     

端基对分子器件整流性质的影响

利用基于非平衡Green函数加密度泛函理论的第一原理方法,研究了以S(Se)为端基的三并苯环分子夹在两半无限长的Au电极之间构成双探针系统的输运特性,发现体系具有较好的整流效应,最大整流系数达到6;用H取代右端同一位置的一个S（Se）,整流行为明显减弱.分析认为,这种整流是由于分子两端与电极的耦合不对称,使正负偏压下分子能级的移动和空间轨道分布不同所致.比较而言,S端基与电极的耦合导致的整流比Se强.     

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.     

B与N掺杂对单层石墨纳米带自旋极化输运的影响

通过第一性原理计算研究了具有锯齿状边沿并且具有反铁磁构型的单层石墨纳米带的自旋极化输运.研究发现,在中心散射区同一位置掺入单个B和N原子,尽管对整个体系磁矩的影响完全相同,但对两个自旋分量电流的影响却完全相反.掺B时,自旋向上的电流显著大于自旋向下的电流;而掺N时,自旋向下的电流显著大于自旋向上的电流.这是由于不管掺B还是掺N都将打破自旋简并,使得导带和价带中自旋向上的能级比自旋向下的能级更高.掺B引入空穴,使完全占据的价带变为部分占据,从而自旋向上的能级正好处于费米能级,使得电子透射能力更强、电流更大,而自旋向下的能级则离费米能级较远使电子透射的能力较弱.掺N则引入电子,使得原来全空的导带变为部分占据,从而费米能级穿过导带中自旋向下的能级,使得自旋向下的电子比自旋向上的电子透射能力更强. 关键词： 自旋极化输运 单层石墨纳米带 第一性原理 非平衡格林函数     

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...     

硼氮原子取代掺杂对分子器件负微分电阻效应的影响

利用基于非平衡格林函数和密度泛函理论相结合的第一性原理计算方法,研究了硼氮原子取代掺杂对三并苯分子电子输运性质的影响.计算结果表明,三并苯分子器件的电流在特定偏压区间内随电压的增加而减小呈现出负微分电阻效应,电流的峰谷之比高达5.12.用硼原子或者氮原子取代分子的中心原子后,器件0.8V以内的电流明显增加,但是负微分电阻效应减弱,相应的电流峰谷比分别降至3.83和3.61.分析认为,输运系数在特定偏压下的移动是器件负微分电阻效应的主要成因.核外电子数的差异导致硼氮原子掺杂取代可以使器件轨道及其透射峰分别向高能方向或者低能方向移动从而有效地调控了器件的低偏压下的电子传输能力和负微分电阻效应.     

硼或氮掺杂的锯齿型石墨烯纳米带的非共线磁序与电子输运性质

基于非共线磁序密度泛函/非平衡格林函数方法,研究了硼或氮掺杂的锯齿型石墨烯纳米带的非共线磁序与电子透射系数.未掺杂的石墨烯纳米带的计算结果表明磁化分布主要遵循类似于Neel磁畴壁的螺旋式磁化分布.相比于未掺杂的情况,硼/氮掺杂的石墨烯纳米带的磁化分布出现了双区域的特征,即杂质原子附近的磁化较小,杂质原子左(右)侧区域的磁化分布更接近于左(右)电极的磁化方向,这为通过掺杂手段在石墨烯纳米带边缘上构建不同磁畴壁提供了可能性.与未掺杂的透射系数不同的是,硼/氮掺杂的石墨烯纳米带的透射系数在费米面附近随着磁化偏转角增大而减小,表明非共线磁序引起的自旋翻转散射占据主导地位.而在E=±0.65 eV处,出现了一个较宽的dip结构,投影电子态密度的分析表明其来源于杂质原子形成的束缚态所引起的背散射.我们的研究结果对于理解石墨烯纳米带中的非共线磁序与杂质散射以及器件设计具有一定的意义.     

拓扑石墨烯电极分子器件输运特性

利用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,研究了不同拓扑能带结构的石墨烯电极分子器件输运特性.结果表明器件导通电压与电极禁带宽度正相关,同时器件在输运过程中表现出负微分电阻特性,峰谷电流比可达2697.分析认为器件导通源自于偏压升高过程中两电极能带匹配.器件负微分电阻特性源自于偏压升高过程中两电极能带交错.散射态分析表明,能带匹配后散射态分布较为离域,有利于电子通过器件.能带交错后散射态局域于电极处,表明电子输运受到抑制.     

Fully spin-polarized transport induced by B doping in graphene nanoribbons

B-doping induced spin polarization in zigzag-edged graphene nanoribbons is studied by density functional calculations by two kinds of doping: (1) doping only one B atom in the central scattering region; (2) periodically doping in the whole system. It is found that even a single B dopant may cause large spin polarization in the current, which can be understood by the breaking of spin-degeneracy due to the impurity atoms and the Fermi level shift resulting from the hole-donating of the B atoms. More interestingly, 100% spin polarized current under finite bias is obtained through periodical doping although the transmission function around the Fermi level is not 100% spin polarized. This can be interpreted by a rigid shift model of the special band structures of the left and right leads in this case. It demonstrates that only transmission function at equilibrium conditions is not sufficient in the study of electron transport, but current should be considered in certain situations.     

Quantum Boltzmann equation solved by Monte Carlo method for nano-scale semiconductor devices simulation

A two-dimensional (2D) full band self-consistent ensemble Monte Carlo (MC) method for solving the quantum Boltzmann equation, including collision broadening and quantum potential corrections, is developed to extend the MC method to the study of nano-scale semiconductor devices with obvious quantum mechanical (QM) effects. The quantum effects both in real space and momentum space in nano-scale semiconductor devices can be simulated. The effective mobility in the inversion layer of n and p channel MOSFET is simulated and compared with experimental data to verify this method. With this method 50nm ultra thin body silicon on insulator MOSFET are simulated. Results indicate that this method can be used to simulate the 2D QM effects in semiconductor devices including tunnelling effect.     

Size dependence rectification performances induced by boron and nitrogen co-doping in rhombic graphene nanoribbons

Rectification performances of rhombic graphene nanoribbons coupled to gold electrodes through thiolate bonds with left and right vertical carbon atoms substituted by one nitrogen or boron atom are analyzed by performing theoretical calculations using a self-consistent ab initio approach that combines the density functional theory with the non-equilibrium Green's function formalism. Increasing the size of graphene nanoribbon markedly improves the rectification effect because of the asymmetric potential profile distribution in rhombic graphene for polarization near the boron and nitrogen atoms.