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硅烯纳米带自旋输运性质第一性原理研究

赵敬芬  
【摘要】:随着器件小型化的不断发展和电路集成度的不断提高,传统的硅基半导体器件尺寸已经逼近了微电子器件的物理极限。当进一步降低器件的尺寸达到纳米量级时,量子效应则会越来越明显,要继续提高集成电路的性能,就需要开发出基于新材料和新原理的新器件。纳米材料的出现为电子技术的进步提供了可能。2004年,石墨烯在实验上被成功的制备出,并发现它具有很多优异的性质,自此关于纳电子器件的研究引起了人们的广泛关注。但是,由于石墨烯为零带隙半导体,这就为直接使用石墨烯构建电子器件带来了巨大的挑战。与石墨烯属于同碳族材料的硅烯,是具有与石墨烯相似几何结构的新型二维材料,2012年,在实验上首次制备成功,证实了它的存在。而且,最重要的是硅材料兼有易于获得和制备的优点,并与当今的硅基半导体工艺兼容,因此在应用上有相当重要的前景。相较于石墨烯,基于硅烯的电子输运特性尚处于初步研究阶段,与此同时,利用电子的自旋属性以得到具有高速、低功耗、高度集成等优良特性的新型自旋电子器件,也成为当前研究的热点。基于此,我们采用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法,研究了基于硅烯纳米结构、有机单分子的电子输运性质,发现了一些新奇的输运现象,通过分析,解释了其中的物理机制,并讨论了它们在纳电子学和自旋电子学方面的应用。本文的主要内容如下:第一章,首先介绍了纳电子学的产生背景及发展现状,纳米材料所特有的一些特点以及电子输运中的常见现象和基本原理,其次对以石墨烯、硅烯为代表的低维纳米材料的基本性质、制备方法、研究进展和应用前景进行了简要介绍,并对基于纳米磁性材料的自旋电子学做了一个简要概括。最后简单介绍了本论文的主要研究内容。第二章,介绍了本文所用到的理论计算方法。首先介绍目前广泛应用的模拟纳米材料电子结构性质的密度泛函理论,给出其发展的重要过程及理论框架。然后介绍计算电子输运性质所采用的非平衡格林函数方法,并对计算中涉及到的泛函以及参数作简要介绍。最后介绍了如何用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法进行电流积分。第三章,设计并计算了两个基于对称边缘氢化硅烯纳米带异质结的自旋输运性质。由于裸露的硅烯纳米带不稳定,因此在制备过程中需要对边缘硅原子进行修饰,若采用不同的化学环境则会产生不同的边缘修饰情况。研究发现,边缘对称氢化的锯齿型硅烯纳米带的基态为反铁磁态,而非对称的基态为铁磁态,并且具有不同的磁矩。也就是说,可以通过不同边缘氢化来调控锯齿型硅烯纳米带的电学和磁学性质。本章中,根据硅烯纳米带不同的边缘氢化情况,我们设计了两种器件,分别为H1-6ZSiNR-H1/H0-6ZSiNR-Ho 和 H1-6ZSiNR-H1/H2-6ZSiNR-H2。计算结果发现,当左右电极的磁性调控为自旋反平行时,器件都表现出了自旋过滤、负微分电阻和整流现象。针对这些有趣的现象,我们从不同方面进行了详细的分析和解释,为实验提供了理论依据。第四章,该工作是在前一工作基础上,对另一类非对称边缘氢化硅烯纳米带的自旋输运性质进行研究。对于本征的锯齿型硅烯纳米带,虽然由于起伏性的皱褶结构而不具有镜面对称的特性,但宽度不同的锯齿型硅烯纳米带的电子输运特性也是不同的,例如:带宽为偶数时,在C2对称轴下有着明确的宇称,可以表现出很好的双自旋过滤效应;而当带宽为奇数时,随着外加偏压的增大,则表现出线性的电流-电压曲线特性,限制了其在自旋电子学器件方面的应用。考虑到非对称边缘氢化硅烯纳米带(H2-ZSiNR-H1)具有更好的稳定性和半导体特性,从理论方面出发,我们设计了一种结构为H2-mZSiNR-H1/H1-nZSiNR-H1的异质结,其中,m=5,n=5,6,7。计算结果表明该体系异质结结构都表现出很好的双自旋过滤和负微分电阻效应,同时还发现了明显的整流效应。这些研究表明我们可以在硅烯纳米带的基础上进行器件改造,设计出性能优良的自旋电子学器件。第五章,对二芳基乙烯分子的开关效应进行了计算和解释,并研究了不同电极构型对其开关特性的影响。一般来说,分子开关器件的实现需要分子具有两个稳定的电导态,而且要求分子的几何构型可以在外部条件下自由变换,如果这两种构型的导电状态相差比较大,其中一个可以看作是"开"的状态,而另一个看作是"关"的状态,那么这种体系就可以成为一个很好的分子开关。本章中,我们研究了由金属电极-二芳基乙烯分子-金属电极构成的两电极体系的电输运性质。研究发现,该分子的"开"和"关"两个构型间存在着明显的开关效应,且在光照或氧化还原条件下可以自由转换,是种可逆开关。另外,通过第一性原理的计算,发现该分子的开关效应是由分子本身的结构性质所决定,与电极构型无关,并且用该分子作开关基本单元具有很好的稳定性。第六章,对本文的研究工作进行了总结和展望。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O469

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