異質摻雜對碳納米管電子特性和輸運性能的影響.pdf

1、當今科技發(fā)展的顯著特征之一是電子器件微型化，這使得納米電子學成為一門由凝聚態(tài)物理、量子化學以及材料學等學科相互交叉的學科。碳納米管不僅可以作為研究低維量子系統(tǒng)中許多奇特的量子現(xiàn)象的一個理想對象，同時也在量子化學、材料學方面具有十分廣泛的應用前景，特別是在量子導線、分子器件等方面潛力巨大。隨著計算方法的發(fā)展以及計算能力的提高，基于第一性原理的密度泛函理論方法能夠在目前實驗技術或條件難以實現(xiàn)的原子層面的結構性能預測等方面得到廣泛應用，已成為

2、納米電子學理論研究的重要手段。 本文利用基于第一性原理的密度泛函理論、結合非平衡格林函數(shù)方法，對單壁碳納米管中存在的取代摻雜、拓撲缺陷等異質摻雜體系進行了系統(tǒng)的研究，獲得了一些有意義的結論。這對基于單壁碳管的電子器件的實際制備和開發(fā)具有重要意義。 對不同的摻雜濃度和摻雜分布位型進行的模擬表明，氮摻雜顯著改變了半導體型碳管的電子結構，例如碳管(8，0)從半導體型轉變?yōu)闇式饘傩汀Ｆ潆娏饕浑妷呵€模擬結果也同時證明了這一點。隨

3、著電壓的增大，氮摻雜碳管的電流呈現(xiàn)非線性變化。隨著氮原子濃度增大，體系的電子輸運有明顯的提高。氮雜質濃度不變的情況下，最近鄰雜質原子在距離3個碳原子以上時，對摻雜管小偏壓下的電子輸運性能尤為有利。 對于單壁碳管中Stone-wales缺陷和氮雜質原子共存的復合情況，本文也進行了系統(tǒng)的模擬。對于半導體型(8，0)碳管，這種復合缺陷總體上對輸運起到增強的作用。缺陷中摻雜位置的不同對碳管的電子輸運影響不同。對于金屬管(9，0)，復合缺

4、陷使得其電流普遍下降。不同摻雜位置的碳管體系，其電流相對大小關系隨偏壓方向變化而改變。此外，氮原子和空位形成的復合缺陷對碳管的輸運也有顯著的影響，這種復合結構也對半導體型碳管輸運性能有所提高，而對金屬型碳管的輸運表現(xiàn)出削弱的作用。 類似于氮原子，硼原子也易于在碳管中發(fā)生取代摻雜，硼摻雜對碳管造成的的網(wǎng)格畸變不大，但隨著硼原子濃度的增多，碳管的圓形截面逐漸轉變?yōu)闄E圓。半導體(8，0)在硼摻雜后，隨偏壓和能量變化的體系總透射值由原來

5、的帶狀結構變成離散的島狀。在小偏壓區(qū)域出現(xiàn)了規(guī)則的菱形島狀透射平臺。電流一電壓曲線結果表明，硼摻雜后使得(8，0)管由原來的半導體型轉變?yōu)闇式饘傩?。隨著摻雜分布的變化，體系的電流大小也明顯不同。小偏壓情況下雜質原子分散度越高，對應體系的輸運性能就越好，而大偏壓情況下輸運對雜質分布并不敏感。對于金屬型管(6，0)管，硼摻雜使得體系電流下降。不同摻雜分布的金屬型碳管的電流在大偏壓時有明顯的趨同傾向。而小偏壓時，當超原胞內的雜質相隔2～3個碳

6、原子時電流最大，距離為一個原子的情況電流最小。在門電壓的作用下理想(6，0)管透射系數(shù)的量子化特征消失，呈現(xiàn)為光滑曲線。在C47B1型取代摻雜中，大多數(shù)能量范圍內的透射系數(shù)隨著門電壓的升高而下降。在兩端加上偏壓時，門電壓對硼摻雜(6，0)管的影響有所削弱。隨著門電壓的增強，電流的減小幅度逐漸增大。對濃度為C46B2的三種異構體的電流在小門電壓情況下隨門電壓的增大而減小。但是隨著門電壓的繼續(xù)增長，不同的雜質分布使得門電壓的調節(jié)效果各不相同