低维碳硅纳米材料的电子输运性质

摘要

一直以来，人们通过不断提高集成电路的集成度，即不断减小集成电路基本组成单元的尺寸，来达到使其具有更高的性能的目的。纳米电子器件由于其独特的性能，近年来得到了人们的广泛关注，被认为是未来电子器件的发展方向。根据组成纳米电子器件材料的不同，其主要可分为:纳米线电子器件、分子电子器件及石墨烯电子器件。目前，在纳米电子器件的研究过程中，虽然人们已经取得了巨大的成就，但还有很多关键问题没有被解决，使得纳米电子器件的发展和应用都受到了限制。
　　 在本文中我们采用分子动力学方法和非平衡格林函数方法结合量子理论（扩展“休克尔”理论及密度泛函理论），针对纳米电子器件研究过程中的几个关键问题进行了深入研究，旨在得到超细硅纳米线的电子输运性质及其掺杂的影响;揭示分子电子器件中理论计算结果与实验测量所得电导值出现差异的原因;探索新型石墨烯-氮化硼复合纳米结构的场效应晶体管模型，系统研究其电子输运性质，揭示其在逻辑电路及自旋电子器件中的潜在应用。该论文的主要内容及取得的研究结果如下:
　　 (1)研究了基于超细硅纳米线的场效应晶体管的电子输运性质，探讨了纳米线的结构及掺杂对其电子输运性质的影响。发现超细硅纳米线会表现出电流放大效应或高开关比的可控负微分电阻。另外，在该种晶体管中，纳米线的结构及外加偏压都能引起负微分电阻机制的改变。研究还显示，超细硅纳米线中掺杂元素的位置对其电子输运性质会产生非常大的影响。
　　 (2)系统研究了石墨烯分子晶体管中石墨烯分子与电极之间的连接方式及石墨烯分子的化学修饰对该种晶体管电子输运性质的影响。结果显示，石墨烯分子与金电极之间的连接方式对石墨烯分子晶体管的电子输运机制具有决定性作用，连接方式的选取会直接导致计算结果出现较大差异，因此造成之前理论计算分子晶体管电导值与实验值产生差异的原因是两者不同的分子-电极连接方式。另外我们还发现，化学修饰可以有效地调节分子晶体管的性能。
　　 (3)利用石墨烯与六方氮化硼两者之间晶格常数相近但电学性质不同的特点，提出了一种基于石墨烯-氮化硼-石墨烯复合纳米带结构的场效应晶体管模型，研究了复合纳米带中的空穴、纳米带的手性及宽度对其电子输运性质的影响。该种晶体管不需要金属源漏电极，提高了其稳定性。研究发现，该种晶体管具有优异的开关性能。另外，通过去除氮化硼纳米带中氮原子边界上的氢原子，会使该种晶体管表现出100％的电子自旋极化现象，揭示了其在自旋电子器件中应用的可能性。
　　 本文的研究内容对深入理解低维碳硅纳米材料的电子输运性质具有重要意义，为发展超细硅纳米线场效应晶体管、设计高性能分子电子器件及开发单原子层纳米电子器件和自旋电子器件提供了理论指导。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 纳米电子器件的发展

1．2．1 纳米线及碳纳米管电子器件

1．2．2 分子电子器件

1．2．3 石墨烯电子器件

1．3 本课题提出的意义及主要研究内容

1．3．1 课题提出的意义

1．3．2 主要研究内容

参考文献

第二章 计算方法

2．1 引言

2．2 经典分子动力学

2．2．1 经典分子动力学运动方程

2．2．2 原子间相互作用势

2．2．3 系综分类

2．2．4 分子动力学计算步骤

2．3 非平衡格林函数

2．3．1 单能级体系

2．3．2 非平衡格林函数法计算多能级体系电子输运

2．3．3 非相干散射

参考文献

第三章 Si纳米线电子器件的电子输运性质

3．1 引言

3．2 研究方法

3．3 超细Si纳米线的电子输运及掺杂的影响

3．4 本章小结

参考文献

第四章 电极与石墨烯连接方式及化学修饰对石墨烯分子晶体管的影响

4．1 引言

4．2 研究方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 电极与石墨烯连接方式的影响

4．3．2 化学修饰的影响

4．4 本章小结

参考文献

第五章 石墨烯-氮化硼复合纳米带单原子层电子器件

5．1 引言

5．2 研究方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 GNR-mzBNNRn-GNR双电极器件

5．3．2 GNR-maBNNRn-GNR双电极器件

5．3．3 氮原子和硼原子空位的影响

5．3．4 GNR-BNNR-GNR的场效应及自旋过滤特性

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

附录