石墨烯及其氮化结构电子输运性质的研究

发布时间：2020-11-22 07:18

　　 随着半导体行业对器件小型化的要求及纳米科学技术的蓬勃发展,石墨烯及不断出现的类石墨烯二维材料引起了人们广泛的研究兴趣。这些二维材料由于只有单原子层厚度,表现出了与块材迥异的物理性质,给半导体行业带来了新的发展机遇,背后隐含的物理机制也受到人们不断的挖掘。本文采用密度泛函理论结合非平衡格林函数的方法,研究了石墨烯及几种石墨烯氮化材料的电子结构及输运性质,发现了电子结构的有效的调控手段及有趣的电子输运现象,阐述了现象背后的物理机制,为纳电子器件的设计和应用提供了良好的备选。利用锯齿形石墨烯纳米带对边缘结构非常敏感的特点,不同于已报道的边缘修饰异质原子或者边缘碳环重构的调控方法,本论文首次将线性碳链垂直生长于纳米带的边缘,使碳链并不是沿着电子传输的方向,而是垂直于电子传输的方向,构建了新的纳电子器。发现电子输运性质与碳链的原子数密切相关且具有奇偶性,这主要来源于奇偶数碳链中的双键和单三键相间两种碳碳键型,前者破坏了纳米带的σ操作对称性,使得费米能级附近的能带可以互相耦合,电流变大。本研究实现了通过碳链中碳原子数目对电子输运进行有效调控目的。利用二维C_2N材料中分布C、N两种异质原子和孔洞的结构特点,将其剪裁成边缘形貌各异的锯齿形和扶手椅形纳米带,通过结构自身的边缘形貌和边缘异质原子修饰这两种手段实现对C_2N纳米带的电子结构的有效调控,并构建由不同宽度纳米带构成的和由不同电子性质纳米带构成的纳电子器件,实现了偏压调控的金属和绝缘体之间的转换,发现了负微分电阻效应、多重负微分电阻效应、整流等有趣的电子输运现象,整流比高达10~(10)。此外,由于C_2N结构中均匀分布孔洞,比较适合功能化,于孔洞中心进行过渡金属原子掺杂,实现了对C_2N纳米带的电子结构和磁性的有效调控,并将自旋极化率提高至100%,为C_2N未来的器件应用提供基础的理论指导。二维C_3N材料和C_2N材料比较相似,都有C、N两种异质原子,但是前者不存在较大的孔洞,因此二维的C_3N剪裁成纳米带后的边缘形貌主要取决于边缘原子的种类,本论文着重研究边缘原子种类对C_3N纳米带电子结构的调控,发现C_3N纳米带是否为半导体取决于氮原子是否同时出现在上下边缘。通过将不同边缘种类的纳米带构建成台阶式双极型器件,研究了边缘种类、台阶大小和界面势垒对电子输运现象的影响,发现了整流二极管行为、负微分电阻效应等有趣的物理现象。C_3N材料的简单剪裁方法和丰富的电子输运性质有利于其在纳米电子器件领域的应用。
【学位单位】：南京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN36;TB383.1
【部分图文】：

2建的纳米结构和分子结构[3]：（a）Xe 原子位于 Ni 表面以形成“IBM”徽标；（b原子形成的量子围栏，围栏内的波纹由表面状态电子的散射引起；（c）量子幻 数据，而下图是 dI/dV 图；（d）单个分子复合物 FeCO（上图）和 Fe(CO)2（子操纵：在 Si（100）上形成的 C60分子线（~25nm 长）；（f）由沿 Cu 表面的台分子形成的分子算盘。学技术的发展，科学家们发现和制备出越来越多，越来越新颖的纳米度的不同，可以分为以下几类：维纳米材料：指在三个维度上的尺寸都处于纳米范围，代表结构有；Ag 、Au 等各类金属团簇；各类微单晶、非晶体纳米颗粒。维纳米材料：指有两个维度的尺寸处于纳米尺度，另外一个维度处

图 1.2 不同形貌的纳米结构[8]米结构的发展，使人们认识和改造物质的能量延伸到了原子、分子水平，纳米的不断揭示，加深了人们对物质构成及性能的认识，激励人们去研究更多的纳开发新的功能、新的用途。纳米科技的迅速发展将引发新的工业革命。随着现，器件向着小型化发展。而半导体器件的极限线宽是 100 纳米，这也正好是纳长度。低于这一长度，由于量子效应，所有元件必须按照纳米科技原理来设计米尺度器件的理论和技术问题是形势所趋，必须要突破目前的工业发展瓶颈，器件的集成工艺。目前制备纳米结构材料的方法主要有物理和化学两种方法，法、溅射法、蒸发沉淀法、冷冻干燥法、混合等离子法等，后者包括水解法、沉原法、喷雾法及激光合成法等。纳米结构是未来信息科技和生命科技的基础，发展大力推动着社会的进步，随着研究的深入，未来纳米结构材料将普遍地应

文 蜂窝晶格的周期性势能的相互作用产生方程精确描述，有效速度约为光速的三米子的准粒子可以被看作是失去其静止上电子波的相对论性描述在理论研究上发现现在提供了一种通过测量石墨烯的0, 13]。
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本文编号：2894331