一维碳纳米材料电子输运的调制

论文摘要

一维碳纳米材料独特的电子性质使其在微纳电子学中具有巨大的潜在应用前景。本文通过第一性原理结合非平衡格林函数的方法,研究了应变以及复合结构对碳纳米管以及石墨纳米条带电子输运的调制效应。（1）我们研究了金-碳纳米管复合结对碳纳米管电子输运的调制效应。金-碳纳米管复合结能引入强烈的碳金耦合作用,从而有效提高碳纳米管的电子输运性质。对于SWCNT（5,5）,金-碳纳米管复合接触将使得碳纳米管的电导提高一倍。而对于SWCNT（10,0）,金-碳纳米管复合结降低了金-碳纳米管接触处的肖特基势垒,从而显著降低了碳纳米管的开启电压。同时,具有金-碳纳米管复合结的SWCNT（10,0）表现出负微分电阻效应。（2）我们研究了ZGNRs-ZBNNRs复合纳米条带对ZGNRs （ZBNNRs）电子输运的调制效应。对于ZGNRs,由ZBNNRs替换形成的复合纳米条带使得其费米能级附近的传输系数从1G0提高至3G0。对于ZBNNRs,由ZGNRs替换形成的复合纳米条带使得其费米能级处的传输带隙被2G0的平台所替代。可见,ZGNRs-ZBNNRs复合纳米条带将有效提高ZGNRs （ZBNNRs）的电子输运性质。传输电导的增益来自于复合纳米条带界面处的B （N）原子与C原子的耦合作用在费米能级附近引入两条新的能带。复合纳米条带对本征纳米条带费米能级附近电子输运性质的调制作用几乎不受到替换位置的影响。并且,由于C-B界面为体系提供了额外的输运通道,复合纳米条带在金电极间依然保持对本征纳米条带电子输运性质的增益效应。（3）我们研究了形变对石墨纳米条带电子输运的调制效应。对于ZGNRs,拱型形变对其电子输运性质的影响十分微小,而台阶型的形变则会降低ZGNRs的传输电导。对于AGNRs,拱型形变和台阶型形变都降低了AGNRs的开启电流,其中拱型形变还提高了AGNRs的开启电压。我们的研究还表明ZGNRs在费米能级附近的传输电导几乎不受到轴向应变或者径向应变的影响,依然保持与本征ZGNRs相同的良好输运特征。这是由于ZGNRs的边缘态并不受外加轴向或者径向应变的影响,为体系贡献了良好的弹道输运通道。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 碳的同素异形体
• 1.2 碳纳米管
• 1.2.1 碳纳米管的制备
• 1.2.2 碳纳米管的几何结构
• 1.2.3 碳纳米管的复合体系
• 1.2.4 碳纳米管的应用前景
• 1.3 Graphene
• 1.3.1 Graphene 的制备
• 1.3.2 Graphene 的性质与应用
• 1.3.3 Graphene 纳米条带
• 1.3.4 Graphene 与氮化硼复合纳米条带
• 1.4 一维碳纳米材料电学性质的调制
• 1.5 本论文的研究目的和内容
• 第2章 研究方法和理论背景
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 Born-Oppenheimer 绝热近似
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.1.3 Kohn-Sham 方程
• 2.1.4 交换关联泛函
• 2.2 格林函数方法
• 2.3 计算软件简介
• 第3章 金-碳纳米管复合结对碳纳米管电子输运的调制效应
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法与模型
• 3.3 计算结果与分析
• 3.3.1 复合结对碳纳米管电子输运的调制效应
• 3.3.2 复合结对碳纳米管电子结构的调制效应
• 3.3.3 复合结对碳纳米管电荷密度和电压降分布的调制效应
• 3.3.4 复合结对碳纳米管I-V 特性的调制效应
• 3.4 本章小结
• 第4章 复合结构对graphene 及氮化硼纳米条带电子输运的调制效应
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法与模型
• 4.3 计算结果与讨论
• 4.3.1 复合纳米条带结构稳定性分析
• 4.3.2 ZGNR 基复合纳米条带的电子输运性质
• 4.3.3 ZBNNR 基复合纳米条带的电子输运性质
• 4.3.4 替换位置对复合纳米条带电子输运性质的影响
• 4.3.5 金电极间复合纳米条带的电子输运性质
• 4.4 本章小结
• 第5章 形变对石墨纳米条带电子输运的调制效应
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法与模型
• 5.3 计算结果与讨论
• 5.3.1 典型形变对ZGNRs 电子输运的调制效应
• 5.3.2 典型形变对AGNRs 电子输运的调制效应
• 5.3.3 轴向应变对ZGNRs 电子输运的调制效应
• 5.3.4 径向应变对ZGNRs 电子输运的调制效应
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果