低維碳、硅結(jié)構(gòu)納電子效應(yīng)及其納功能器件設(shè)計(jì)

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1、萬方數(shù)據(jù)NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofScienceTheNanoelectronicPhenomenaandCorrespondingDesignofNano-FunctionalDevicesforLow-DimensionalCarbon-andSilicon-basedStructuresAThesisinCondensedMatterPhysicsbyYandongGuoAdvised

2、byProf.XiaohongYanSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyOctober,2013萬方數(shù)據(jù)承諾書本人聲明所呈交的博士學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得南京航空航天大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。本人授權(quán)南京航空航天大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部

3、分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本承諾書）作者簽名：日期：萬方數(shù)據(jù)南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文摘要隨著器件小型化的不斷發(fā)展和集成度的不斷提高，傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體器件已經(jīng)逼近了其極限尺寸。與此同時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)制備工藝和合成技術(shù)的發(fā)展，越來越多的納米材料和納米結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)出來。其中，以石墨烯、碳納米管為代表的碳納米結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出豐富的結(jié)構(gòu)形式和獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，被普遍認(rèn)為是下一代納電子器件的基礎(chǔ)材料。令人驚喜的是，與碳同屬一個(gè)主族的硅，最近

4、發(fā)現(xiàn)其也可以形成與石墨烯結(jié)構(gòu)相類似的硅烯結(jié)構(gòu)，通過金屬摻雜，還可以形成與碳納米管結(jié)構(gòu)相類似的硅納米管結(jié)構(gòu)。這些新結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，使得硅基器件迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，并且硅基結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)更好地相容。隨著研究的深入，納米結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含的各種量子效應(yīng)不斷被發(fā)現(xiàn)，并被用來設(shè)計(jì)各種納電子器件?；诖?，我們采用密度泛函結(jié)合非平衡格林函數(shù)的方法，研究了幾種典型的碳、硅納米結(jié)構(gòu)及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的電子輸運(yùn)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了一系列新的電子輸運(yùn)現(xiàn)象，通過分析，解釋了其中的物理機(jī)制，設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了相應(yīng)的新型納電子器件。本文的主要內(nèi)容如下：

5、第一章介紹了碳、硅納米結(jié)構(gòu)及納電子學(xué)的相關(guān)理論和功能器件應(yīng)用，給出了本文的研究?jī)?nèi)容概述。第二章介紹了本文的理論研究基礎(chǔ)和計(jì)算方法，其中包括：密度泛函理論、Landauer理論、非平衡格林函數(shù)理論。第三章研究了新合成的管狀富勒烯結(jié)構(gòu)D5h(1)-C90的輸運(yùn)性質(zhì)，在電流-電壓曲線中發(fā)現(xiàn)了三個(gè)負(fù)微分電阻區(qū)，并且這些負(fù)微分電阻可以通過柵極電壓進(jìn)行調(diào)控，分析表明，由偏壓和柵壓引起的電荷轉(zhuǎn)移、分子-電極耦合強(qiáng)度二者的改變是造成這些現(xiàn)象的原因。第四章研究了“二維/一維/二維”純碳π共軛納米結(jié)構(gòu)（“石墨片/碳原子鏈/石

6、墨片”和“苯環(huán)/碳原子鏈/苯環(huán)”）的輸運(yùn)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了構(gòu)型變化引起的開關(guān)效應(yīng)。通過研究，發(fā)現(xiàn)二維和一維結(jié)構(gòu)中透射通道的空間不對(duì)稱是導(dǎo)致開關(guān)效應(yīng)的物理機(jī)制，而且可以推廣到金屬系統(tǒng)。我們提出并構(gòu)筑了最小的純碳邏輯門以及其它器件。由于原子的移動(dòng)可以直接對(duì)信息進(jìn)行處理，因而我們的開關(guān)效應(yīng)和器件非常適合用于納米機(jī)械控制領(lǐng)域。第五章我們提出并研究了兩種純碳結(jié)構(gòu)（“非對(duì)稱接觸構(gòu)型碳原子鏈-碳納米管”和“局域H飽和石墨帶”）的輸運(yùn)性質(zhì)。在第一種構(gòu)型中，我們發(fā)現(xiàn)原子鏈和碳納米管的非對(duì)稱接觸可以實(shí)現(xiàn)電流的自旋極化，無需摻雜、鐵

7、磁電極、和外加電場(chǎng)。通過改變管徑和管長(zhǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)100%的自旋電流過濾。在第二種構(gòu)型中，我們發(fā)現(xiàn)靠近石墨帶邊界的H飽和會(huì)抑制其邊緣磁矩，導(dǎo)致費(fèi)米面處透射為零，但是在費(fèi)米面兩側(cè)存在兩個(gè)不同自旋的透射峰，提出并驗(yàn)證了施加?xùn)艠O的三端器件可以實(shí)現(xiàn)柵壓控制電流自旋極化率，幾乎從100%變化到-100%，可以用作電I萬方數(shù)據(jù)低維碳、硅結(jié)構(gòu)納電子效應(yīng)及其納功能器件設(shè)計(jì)控、純碳、雙向自旋過濾器。另外，我們發(fā)現(xiàn)了一大批石墨帶構(gòu)型可用于此應(yīng)用。第六章分別研究了Co、Mn摻雜Si納米管耦合Cu電極的自旋輸運(yùn)性質(zhì)。在Co摻雜納米管

8、中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米管的管長(zhǎng)增加時(shí)，電子透射出現(xiàn)了從自旋未極化到自旋極化的轉(zhuǎn)變，研究表明，這種轉(zhuǎn)變的發(fā)生是由Cu電極對(duì)于邊緣Co原子磁矩的屏蔽作用以及Co原子之間自旋不對(duì)稱的相互作用共同導(dǎo)致的。在Mn摻雜Si納米管中，我們發(fā)現(xiàn)柵壓可以調(diào)控電子透射的自旋極化率從0變到90%。研究發(fā)現(xiàn)，柵壓對(duì)Si、Mn間電子轉(zhuǎn)移的調(diào)節(jié)是內(nèi)在的物理機(jī)理。另外，我們還研究了鐵磁態(tài)硅烯納米帶中溫度與自旋電流的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了自旋塞貝克效應(yīng)的存在，同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)自旋