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《中原工学院》 2017年
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碳纳米管异质结的量子输运

郭春轶  
【摘要】:低维碳系材料包括零维的量子点,如富勒烯;一维的碳原子单链,准一维的碳纳米管、条状石墨烯带;二维的石墨烯等。自上个世纪80年代开始迅猛发展,人们对这类材料的量子输运性能做了大量研究,取得了丰富的成果。低维碳系材料所做成的电子器件其主要工作原理是电子隧穿,其中的碳纳米管作为准一维材料在很多时候被用来作为信息传输的载体。由于其空间和结构的限制,电子的输运会受到影响。例如分子异质结、杂质等因素,都会影响其传输性能,从而对所做成的电子器件性能产生较大影响。研究由这些材料组成的分子异质结对通过其中的电子输运情况的影响,不但有重要的理论方面价值,同时还有重大的实际应用方面价值。所以我们对由准一维碳纳米材料组成的分子异质结,其量子输运性能进行了理论研究。在准一维材料碳纳米管中,电子的运动并不遵循经典粒子的运动规律,由量子力学规律决定,运动具有波粒二象性。量子输运理论符合Landauer-Buttiker理论,Landauer-Buttiker理论也是低维介观材料中使用范围最广的量子输运理论。在本论文第一章中我们介绍了低维纳米科技、纳米材料的发展和对人类生产生活的影响,列举了低维纳米材料的特性及相关研究实验,重点介绍了电学特性,并介绍了研究低维纳米材料的理论方法—朗道尔公式。第二章介绍低维碳系纳米材料中的准一维材料发展现状和相关应用,几何结构及由它所组成的分子异质结的几何结构,利用石墨能带折叠法求出准一维材料的的能带结构和色散关系。第三章对电子的干涉实验—AB效应作了详细叙述,介绍了紧束缚近似理论,计算态密度和量子电导的格林函数方法。第四章采用朗道尔公式结合紧束缚近似格林函数法对准一维碳系材料异质结的量子输运情况进行理论研究。得到了一部分创新性的成果。准一维的碳系纳米材料单壁碳纳米管由于其螺旋矢量和半径的不同,表现为金属型或半导体型,对于结合实际情况所建立的四种单壁碳纳米管分子异质结的结构模型:(5,5)/(8,0)(金属/半导体)、(5,5)/(10,0)(金属/半导体)、(5,5)/(9,0)A(金属/金属)、(5,5)/(9,0)B(金属/金属)。利用紧束缚近似格林函数法对模型进行理论计算。结果显示:异质结所对应的完好碳管(5,5)和(9,0)两种管型同属金属型,局域态密度在费米面处与能量轴平行,且不为零,说明存在金属能带;(8,0)和(10,0)两种管型均为半导体型,局域态密度在费米面附近存在有限大小的能隙;完好碳管的量子电导均呈现台阶状,金属型管费米面处量子电导很大,导电效果良好,半导体型管费米面两侧较窄处的电导等于零;金属/半导体结的局域态密度曲线在费米面处呈现比较高的峰,表现了有允许导电的量子态,但其量子电导曲线在费米面处仍为零,证明了这些许可态在能隙中的局域性,同时说明了电子输运至异质结的界面处有大量的衰减;金属/金属结的局域态密度曲线在费米面处要高于所对应的完好碳管,而量子电导曲线则在费米面处比所对应的完好碳管低;同时(5,5)/(9,0)(金属/金属)有两种构型,量子电导曲线有很大的差别,几何结构的改变使其导电性能受到较大影响,构型A比构型B在费米面处有更大的量子电导,改变结构即可改变其导电性能,这是我们最感兴趣的,电子在分子异质结内的输运性质对异质结的连接方式异常敏感。这些理论结果在碳纳米管制作的量子开关和二极管等方面有重要应用。
【关键词】:低维材料 异质结 紧束缚近似 格林函数
【学位授予单位】:中原工学院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O469
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-10
  • 1.绪论10-17
  • 1.1 低维纳米材料简介10-11
  • 1.2 低维纳米材料特性11-13
  • 1.3 低维纳米材料的相关物理实验13-14
  • 1.4 研究低维纳米材料量子输运的方法——朗道尔公式14-17
  • 2.低维碳系材料中的准一维线性材料17-30
  • 2.1 低维碳系材料中碳纳米管的发展过程简介17-18
  • 2.2 单壁碳纳米管的几何结构18-22
  • 2.3 单壁碳纳米管异质结的几何结构22-25
  • 2.4 单壁碳纳米管的电子结构25-30
  • 2.4.1 单壁碳纳米管的能带结构25-27
  • 2.4.2 单壁碳纳米管的能量色散关系27-30
  • 3.AB效应及紧束缚近似格林函数方法30-42
  • 3.1 AB效应,电子的干涉实验30-32
  • 3.2 紧束缚近似理论32-37
  • 3.3 量子电导的格林函数方法37-42
  • 4.单壁碳纳米管异质结及其输运性质42-51
  • 4.1 计算模型及理论42-43
  • 4.2 计算结果及讨论43-51
  • 5.结论与展望51-53
  • 5.1 结论51
  • 5.2 展望51-53
  • 参考文献53-58
  • 附录:硕士研究生学习阶段发表论文58-59
  • 致谢59

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