掺锂单壁碳纳米管的传导特性研究

摘要

碳纳米管是近几年各国研究的重点，人们寄希望于其优异的物理及化学性质会给电子，材料，能源等领域的研究带来突破性进展和提供新的经济增长点。电子元器件发展趋势是尺寸将会更小，信息处理的速度要更快，同时要求单个器件的功耗要越来越小。可是，当器件尺寸越来越小时，就必须必须考虑量子力学方面的限制，原有的微电子理论失效了，新的理论和新的器件(尤其是分子和纳米器件)也开始出现了，碳纳米管因为其特殊的电子特性有可能起到很重要的作用。因此，对其进行的一些电特性、传导特性的研究是十分有必要的。 本论文组织大体如下： 第一章：首先介绍了碳纳米管的发现，相关的性质，应用前景等。而传统的以硅为基础的半导体技术面临极大的挑战，也迫使人们去探索一些新的概念、规律和手段以描述日益小型化的电子元器件中的载流子输运。本章在概述了这样的一个发展趋势之后，提出了微电子器件发展的瓶颈，同时对新兴的纳、分子电子器件进行一些大概的产生、发展的介绍。最后对碳纳米管的一些电学特性进行了大概的介绍。 第二章：主要是本研究的计算手段的理论基础，主要使用的计算方法是非平衡格林函数方程。在介绍了关于电子输运的一个公式：Lundauer—Buttiker公式后，本章从基本的非平衡格林函数的一些概念如自能矩阵，散射矩阵开始介绍，然后给出对一些细节的计算问题的解决方案，最终按照计算思路提出这次工作的计算流程方案。 第三章：首先对基本的碳纳米管进行了几何结构的研究，给出了其生成程序；然后对本研究需要计算的模型进行构建，内容包括探针的构建，器件的构建，接触界面，锂原子的掺入等；最后截取了已选取了的CNT片段做为一个分子进行建模，对其构成的分子的坐标进行确定。 第四章：这一章主要展示了对已构建模型的计算的结果和对结果的分析。计算和分析的内容分为三个部分。第一部分是利用第一性的密度泛函方法对截取的CNT的截断分子进行电特性的计算，得出了诸如最高占据能级和最低非占据能级，费米能级，总的能量和电子动能等基本的参数，通过对掺入锂原子和不掺入锂原子两种情况进行分析比较，期望对所建立模型的传导特性获得初步的猜测。第二部分是对计算出的掺锂(7，0)(8,0)(9,0)型碳纳米管的传输几率和能态密度进行分析，同时考虑并研究了电子能量、电子态密度、偏压的存在与变化对其传输特性的影响。发现了诸如拓宽效应、量子台阶效应复苏等结果。第三部分是对三种掺锂的CNT进行计算后得出了I/V曲线，并且对这个计算结果产生的原因，具体的意义进行了比较深入的介绍，I/V曲线是相关材料的分子器件、导线设计的理论基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1碳纳米管综述

1.1.1结构

1.1.2碳纳米管的特性

1.1.3碳纳米管的制备

1.1.4碳纳米管的应用前景

1.2纳电子学

1.2.1纳电子器件简介

1.2.2微电子器件的局限

1.2.3纳电子器件的发展途径与基本效应

1.2.4纳电子器件、分子导体的理论方法

1.3碳纳米管电子学

1.3.1石墨平面的电学特性

1.3.2碳纳米管的电特性

1.4本文的内容和意义

第二章理论计算方法

2.1 Lundauer-Büttiker公式

2.2传输公式，S矩阵(Scatting matrix)，格林函数(Green function)

2.2.1传输公式与S矩阵

2.2.2格林函数与S矩阵

2.2.3 Tight-binding模型

2.3非平衡格林函数

2.3.1纠缠和散射矩阵

2.3.2自能和格林函数

2.3.3动能等式

2.3.4自能的计算

2.3.5总的计算过程归纳

第三章模型建立

3.1碳管模型

3.1.1结构总论

3.1.2zig-zag型的CNT结构分析以及生成

3.2传输系统的确定

3.2.1基本传输系统

3.2.2掺入锂原子与最终模型确定

3.3传输分子器件的模型

第四章计算结果与分析

4.1器件分子的单点能计算

4.1.1计算结果

4.1.2结果分析

4.2器件电子传输特性计算

4.2.1电子传输特性结果分析

4.2.2器件电压与电流关系计算结果与分析

4.3结论

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录

作者在攻读硕士学位期间发表的论文