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《南京邮电大学》 2018年
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石墨烯及其氮化结构电子输运性质的研究

何晶晶  
【摘要】:随着半导体行业对器件小型化的要求及纳米科学技术的蓬勃发展,石墨烯及不断出现的类石墨烯二维材料引起了人们广泛的研究兴趣。这些二维材料由于只有单原子层厚度,表现出了与块材迥异的物理性质,给半导体行业带来了新的发展机遇,背后隐含的物理机制也受到人们不断的挖掘。本文采用密度泛函理论结合非平衡格林函数的方法,研究了石墨烯及几种石墨烯氮化材料的电子结构及输运性质,发现了电子结构的有效的调控手段及有趣的电子输运现象,阐述了现象背后的物理机制,为纳电子器件的设计和应用提供了良好的备选。利用锯齿形石墨烯纳米带对边缘结构非常敏感的特点,不同于已报道的边缘修饰异质原子或者边缘碳环重构的调控方法,本论文首次将线性碳链垂直生长于纳米带的边缘,使碳链并不是沿着电子传输的方向,而是垂直于电子传输的方向,构建了新的纳电子器。发现电子输运性质与碳链的原子数密切相关且具有奇偶性,这主要来源于奇偶数碳链中的双键和单三键相间两种碳碳键型,前者破坏了纳米带的σ操作对称性,使得费米能级附近的能带可以互相耦合,电流变大。本研究实现了通过碳链中碳原子数目对电子输运进行有效调控目的。利用二维C_2N材料中分布C、N两种异质原子和孔洞的结构特点,将其剪裁成边缘形貌各异的锯齿形和扶手椅形纳米带,通过结构自身的边缘形貌和边缘异质原子修饰这两种手段实现对C_2N纳米带的电子结构的有效调控,并构建由不同宽度纳米带构成的和由不同电子性质纳米带构成的纳电子器件,实现了偏压调控的金属和绝缘体之间的转换,发现了负微分电阻效应、多重负微分电阻效应、整流等有趣的电子输运现象,整流比高达10~(10)。此外,由于C_2N结构中均匀分布孔洞,比较适合功能化,于孔洞中心进行过渡金属原子掺杂,实现了对C_2N纳米带的电子结构和磁性的有效调控,并将自旋极化率提高至100%,为C_2N未来的器件应用提供基础的理论指导。二维C_3N材料和C_2N材料比较相似,都有C、N两种异质原子,但是前者不存在较大的孔洞,因此二维的C_3N剪裁成纳米带后的边缘形貌主要取决于边缘原子的种类,本论文着重研究边缘原子种类对C_3N纳米带电子结构的调控,发现C_3N纳米带是否为半导体取决于氮原子是否同时出现在上下边缘。通过将不同边缘种类的纳米带构建成台阶式双极型器件,研究了边缘种类、台阶大小和界面势垒对电子输运现象的影响,发现了整流二极管行为、负微分电阻效应等有趣的物理现象。C_3N材料的简单剪裁方法和丰富的电子输运性质有利于其在纳米电子器件领域的应用。
【学位授予单位】:南京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN36;TB383.1

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