异质掺杂对碳纳米管电子特性和输运性能的影响

摘要

当今科技发展的显著特征之一是电子器件微型化，这使得纳米电子学成为一门由凝聚态物理、量子化学以及材料学等学科相互交叉的学科。碳纳米管不仅可以作为研究低维量子系统中许多奇特的量子现象的一个理想对象，同时也在量子化学、材料学方面具有十分广泛的应用前景，特别是在量子导线、分子器件等方面潜力巨大。随着计算方法的发展以及计算能力的提高，基于第一性原理的密度泛函理论方法能够在目前实验技术或条件难以实现的原子层面的结构性能预测等方面得到广泛应用，已成为纳米电子学理论研究的重要手段。 本文利用基于第一性原理的密度泛函理论、结合非平衡格林函数方法，对单壁碳纳米管中存在的取代掺杂、拓扑缺陷等异质掺杂体系进行了系统的研究，获得了一些有意义的结论。这对基于单壁碳管的电子器件的实际制备和开发具有重要意义。 对不同的掺杂浓度和掺杂分布位型进行的模拟表明，氮掺杂显著改变了半导体型碳管的电子结构，例如碳管(8，0)从半导体型转变为准金属型。其电流一电压曲线模拟结果也同时证明了这一点。随着电压的增大，氮掺杂碳管的电流呈现非线性变化。随着氮原子浓度增大，体系的电子输运有明显的提高。氮杂质浓度不变的情况下，最近邻杂质原子在距离3个碳原子以上时，对掺杂管小偏压下的电子输运性能尤为有利。 对于单壁碳管中Stone-wales缺陷和氮杂质原子共存的复合情况，本文也进行了系统的模拟。对于半导体型(8，0)碳管，这种复合缺陷总体上对输运起到增强的作用。缺陷中掺杂位置的不同对碳管的电子输运影响不同。对于金属管(9，0)，复合缺陷使得其电流普遍下降。不同掺杂位置的碳管体系，其电流相对大小关系随偏压方向变化而改变。此外，氮原子和空位形成的复合缺陷对碳管的输运也有显著的影响，这种复合结构也对半导体型碳管输运性能有所提高，而对金属型碳管的输运表现出削弱的作用。 类似于氮原子，硼原子也易于在碳管中发生取代掺杂，硼掺杂对碳管造成的的网格畸变不大，但随着硼原子浓度的增多，碳管的圆形截面逐渐转变为椭圆。半导体(8，0)在硼掺杂后，随偏压和能量变化的体系总透射值由原来的带状结构变成离散的岛状。在小偏压区域出现了规则的菱形岛状透射平台。电流一电压曲线结果表明，硼掺杂后使得(8，0)管由原来的半导体型转变为准金属型。随着掺杂分布的变化，体系的电流大小也明显不同。小偏压情况下杂质原子分散度越高，对应体系的输运性能就越好，而大偏压情况下输运对杂质分布并不敏感。对于金属型管(6，0)管，硼掺杂使得体系电流下降。不同掺杂分布的金属型碳管的电流在大偏压时有明显的趋同倾向。而小偏压时，当超原胞内的杂质相隔2～3个碳原子时电流最大，距离为一个原子的情况电流最小。在门电压的作用下理想(6，0)管透射系数的量子化特征消失，呈现为光滑曲线。在C47B1型取代掺杂中，大多数能量范围内的透射系数随着门电压的升高而下降。在两端加上偏压时，门电压对硼掺杂(6，0)管的影响有所削弱。随着门电压的增强，电流的减小幅度逐渐增大。对浓度为C46B2的三种异构体的电流在小门电压情况下随门电压的增大而减小。但是随着门电压的继续增长，不同的杂质分布使得门电压的调节效果各不相同。 (8，0)管硼掺杂管的电流随门电压变化的幅度显然大于(6，0)，在门电压的作用下表现出较强的可调节特性。而负门电压情况下电流下降显著小于正偏压情况。而在偏压值较大时(包括正偏压和负偏压)门电压的影响都显著下降。 利用掺杂来调制碳管的性能是非常有前途的一个方法，所以更加深入和广泛的研究碳管掺杂的性能以及器件制备是非常重要的研究课题。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2碳纳米管的结构

1.3碳纳米管的制备及纯化

1.4碳纳米管的结构检测

1.5碳纳米管的电磁性质

1.6碳纳米管的应用前景

1.7本文的工作和目的

第2章基于第一性原理的非平衡格林函数方法

2.1引言

2.2密度泛函理论

2.2.1波恩—奥本海默(Born-Oppenheimer)近似

2.2.2 Hartree-Fock近似

2.2.3 Hohenberg-Kohn定理

2.2.4 KS方程

2.2.5局域密度近似

2.2.6赝势近似

2.3结合密度泛函和非平衡格林函数方法的电子输运

2.3.1边界条件和电子散射态

2.3.2密度矩阵

2.3.2复围道积分

2.3.3计算非平衡密度矩阵的自洽方法

2.3.4非平衡有效势

2.3.5电导公式

2.4本章小结

第3章氮掺杂单壁碳纳米管的电子输运特性

3.1引言

3.2计算模型和方法

3.3结果分析与讨论

3.3.1理想管掺杂前后的电子结构

3.3.2(8，0)管掺杂前后的透射系数

3.3.3掺杂前后的电压-电流曲线特性

3.4高浓度氮掺杂管的电子输运性能

3.5本章小结

第4章含氮复合缺陷在碳管输运中的研究

4.1引言

4.2 SW缺陷掺杂对碳管的电子输运的影响

4.2.1 SW缺陷掺杂管结构分析

4.2.2含SW缺陷管掺杂管的电子结构

4.2.3 SW缺陷中氮掺杂不同位置对输运的影响

4.3含氮的空位缺陷对电子输运的影响

4.3.1半导体管中的复合缺陷的影响

4.3.2金属型碳管中的复合缺陷

4.4本章小结

第5章硼掺杂单壁碳纳米管的电子输运

5.1引言

5.2计算模型和方法

5.3掺杂对电子结构的影响

5.4硼掺杂对输运性能的影响

5.5本章小结

第6章门电压情况下的掺杂纳米管输运模拟

6.1引言

6.2门电压下硼掺杂管的模拟

6.3门电压下氮掺杂管的模拟

6.4本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表学术论文