低维纳米系统电子输运性质的理论研究

【摘要】传统电子器件的微型化引起人们对纳米与分子电子器件研究的广泛关注,在实验和理论两方面都已开展了大量的研究工作。许多低维纳米系统诸如有机分子、纳米管、富勒烯、石墨烯、单分子磁体等可以表现出一些类似微尺度电子器件的功能特性,如场效应晶体管特性、分子开关、负微分电阻特性、自旋过滤器或自旋阀等。本论文采用非平衡格林函数与密度泛函理论相结合的方法研究了一些低维纳米系统的电子输运性质,这些系统分别包括有机共轭分子、单分子磁体,以及有缺陷、边缘有突起结构或掺杂的石墨烯纳米带结构。本论文主要由以下几部分组成：在第一章中,我们简要介绍了纳米与分子电子学的研究背景。在对纳米与分子电子学的产生及近年来的研究近况作简要回顾之后,着重介绍了几个推动纳米与分子电子学快速发展的实验技术及与之相关的研究成果。然后介绍了在理论计算与模拟方面的研究进展情况。最后简单介绍了本论文的主要研究内容。在第二章中,我们介绍了本论文采用的理论计算方法。首先介绍了研究量子输运问题时所基于的Landauer-Buttiker理论输运图像。然后介绍了计算电子输运问题时常采用的非平衡格林函数方法,以及在研究纳米与分子体系的几何和电子结构时采用的密度泛函理论方法。最后介绍了本论文中所采用的基于非平衡格林函数与密度泛函理论相结合的第一性原理计算方法。在第三章中,我们研究了由卟啉和苯环组成的一系列有机共轭分子的电子输运性质。分别讨论了这些有机分子在具有不同内部构型及官能团取代时对其电子输运性质的调控。计算结果表明当改变分子内部结构由共面构型到垂直构型时可实现电路由“开”到“关”的状态,且开/关比率较大。当发生氨基(-NH2)或硝基(-N02)取代时,可明显提高开/关比率。由卟啉和两个苯环组成的复合物通过调控分子内部结构可表现出更多样有趣的开关效应。据本章的研究结果可以建议：由诸如此类的π共轭分子组成的分子线通常可以表现出开关功能,通过在分子上增加官能团的方法可以灵活调控开关效率。在第四章中,我们研究了单分子磁体Mn(dmit)2的电子自旋输运性质。分别讨论了两端的dmit分别处于共面和垂直构型时的电子结构以及通过分子结的自旋电流极化现象和自旋阀功能特性。通过其共面构型的电流表现出较明显的自旋极化现象,极化率高达82%。然而对于其垂直构型,此时通过分子结的电流会受到强烈的阻碍,导致电路助于不导通状态。这些结果表明Mn(dmit)2单分子磁体可以作为自旋过滤器或自旋阀的候选材料。在第五章中,我们研究了具有两种三角形缺陷结构的Zigzag类型的石墨烯纳米带(ZGNRs)的电子输运性质。结果表明具有向上三角形缺陷结构的ZGNRs可以具有比完美的ZGNRs更大的电流,这主要是由于这种缺陷结构导致了对称性破坏而产生更多电子传输通道。然而对于三角形向右的缺陷结构,通过石墨烯纳米带的电流则受到明显抑制,并且表现出负微分电阻(NDR)特性。这种缺陷设计可以成为一种调控石墨烯纳米器件的电子输运特性的有效方法,并且建议一些三角形向右缺陷的ZGNRs可以作为负微分电阻器件的候选材料。在第六章中,我们研究了边缘上有三角形突起的ZGNRs的电子输运性质。结果表明边缘上的三角形突起会明显破坏该边缘态电子结构,进而调控其电子输运特性。对于具有偶数条链的ZGNRs来说,当两边的两个三角形突起具有不同相对距离时,能够显著地增加或减小纳米结的电导,同时还会出现负微分电阻效应。纳米结电导的反常增加是归因于一个新的Z型电子传输路径的产生和纳米带镜像对称性的消失。对于奇数条链的ZGNRs来说,边缘上的三角形突起起到抑制电流的作用,仍然可以保持其线性的Ⅰ-Ⅴ曲线特性。这些边缘改性方法使得基于石墨烯的纳米材料可以表现出更丰富的电子输运现象,预计在将来的纳米电子器件设计方面会有所帮助和应用。在第七章中,我们研究了有序掺杂B或N原子的ZGNRs的电子输运性质。结果表明B或N原子的掺杂可以诱导更多电子传输通道,明显提高其电导。掺杂浓度越高,电流增大幅度越明显。当掺杂一列B或N原子时,掺杂位置更靠近中央时,电流增大系数越大。对于掺杂B原子的浓度较低时以及掺杂N原子时,Ⅰ-Ⅴ曲线表现出了负微分电阻特性。更有趣的是,B或N原子的掺杂几乎可以完全取消ZGNR纳米结电子输运性质的奇偶差异。本章所介绍的B或N原子的有序掺杂方法可以明显地提高ZGNRs的电导,有助于石墨烯的广泛应用。在第八章中,我们对本论文做了简要总结和展望。
【作者】安义鹏；
【导师】杨中芹；
【作者基本信息】复旦大学，凝聚态物理，2012，博士
【关键词】分子器件；电子输运；密度泛函理论；非平衡格林函数；有机分子；单分子磁体；石墨烯纳米带；分子开关；负微分电阻；自旋过滤器；

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