单原子碳链的光电特性调制方案及应用研究

摘要

光电器件的小型化极大的促进了计算机、通讯等电子技术的迅猛发展。然而，随着器件尺寸进一步缩小到纳米量级，量子受限效应和器件的工作稳定性问题就愈发凸显。从上个世纪末开始，各种碳纳米材料，包括富勒烯、碳纳米管以及石墨烯等成为了后硅材料的有力竞争者，尤其是石墨烯被认为是能够替代硅的新一代后硅材料。虽然目前已经发展出了基于石墨烯的场效应晶体管等原型器件，但是系统地发展碳基集成电路仍需要更多并且性质更加丰富的材料和器件。
　　早在2007年，我们课题组就从理论上预言可从石墨烯的边缘拉伸出单原子碳链，同年得到实验验证。但是到目前为止，关于单原子碳链的物理性质以及应用的研究尚不充分。本文提出了两种调制单原子碳链光电特性的方法——异质原子吸附和机械拉伸，具体内容如下:
　　1.已有理论表明，纳米长度单原子碳链的电导率几乎与其长度无关，如果能够有效地调制其电导率，则单原子碳链作为纳米尺度的导线应该有更广泛的应用。本文提出了在单原子碳链外吸附异质原子来调制其电导率的方案。首先利用单原子模型预测了吸附异质原子后碳链的稳定性，以氢、氮、氧原子为例，吸附后的单原子碳链在室温下的寿命可达105年。然后利用输运理论的计算表明:几十个原子长度的单原子碳链吸附一个异质原子后其电导率会减小一到两个数量级。以氢原子为例，吸附一个氢原子后的碳链的电导率可减小2个数量级;更进一步，通过对吸附后单原子碳链输运特性的计算，发现其电导率的改变与吸附原子的种类和吸附原子的位置等因素相关的。最后，基于上述结果设计了具有单原子探测灵敏度的气体探测器和原子尺度的开关。
　　2.提出了利用机械拉伸方法调制单原子碳链的光学特性，并利用杂化密度泛函理论的计算表明:在碳链不断裂的情况下，10个原子长的碳链所能承受的最大拉伸量为9％，而在这个范围内单原子碳链的能隙将从2.2eV连续变化到3.59eV，对应的波长可以在可见光范围内由345nm连续变化到561nm。在此基础上我们设计了基于单原子碳链的纳米光电器件，如纳米可调谐发光器件。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 碳基器件在集成电路产业中的重要意义

1．2 低维碳纳米材料

1．3 单原子碳链

1．4 本文的主要内容

第二章 理论模型与方法

2．1 单原子统计模型

2．2 第一性原理

2．2．1 Born-Oppenheimer近似

2．2．2 Hartree-Fock近似

2．3 密度泛函理论

2．3．1 从波函数到密度泛函

2．3．2 Hohen berg-Kohn定理与自洽Kohn-Sham方程

2．3．3 交换关联能

2．4 介观电输运理论

2．4．1 Landauer公式

2．4．2 Landauer-Büttiker公式

第三章 吸附异质原子的方法调制单原子碳链的电导率

3．1 异质原(分)子的吸附及其稳定性分析

3．1．1 气体分子的吸附及其稳定性

3．1．2 异质原子的吸附及其稳定性

3．2 吸附的方法调制碳链电导率的机理分析

3．3 小结

第四章 吸附后的单原子碳链的潜在应用

4．1 原子尺度的开关

4．2 气体探测器

第五章 拉伸碳链的方法调制碳链的光学特性

5．1 单原子碳链理论设计和实验制备

5．2 拉伸的方法调制碳链的光学性质

5．3 基于单原子碳链的纳米器件设计方案

5．4 小结

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢

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