毕业论文设计《对不同电极高度碳单链连接石墨烯分子器件的研究》.docVIP

对不同电极高度碳单链连接石墨烯分子器件的研究 本文讨论具有不同高度碳纳米带电极（0?、2?、4?、5?、6?、9?）的分子结构，两个电极之间连接着一条碳链。我们采用第一性原理密度泛函的计算方法，计算了各个模型的I-V特性曲线、态密度曲线和能量本征态，试图从能量本征态入手分析分子模型的电子传输机制。计算发现对于不同电极高度的模型，自旋二极管效应、自旋过滤效应和负微分电阻效应依然存在。通过比较各个模型的I-V曲线，我们得到当电极高度差为4 ?时模型有最好的电子导通性，虽然它们的差别微乎其微。另外我们发现DOS曲线上有一个位于-1EV处的奇特峰值，除了电极高度差为9 ?外，这个峰值并没有出现在其它模型的传输曲线上。通过分析9 ?模型在-1EV处的能量本征态，我们找到了这个峰值所对应的传输机制，发现此时碳链的水平方向P轨道参与了电子输运,这种机制很有可能打破碳链自旋单通的性质。 关键词：石墨烯 碳单链 第一性原理 电极高度 1. 引言 分子电子器件即在分子水平上设计和制作的具有特定功能的超微型器件。在超大规模集成电路的发展已逼近物理极限和工艺极限的今天, 突破这种极限的出路之一是发展分子电子器件。基于这一点很多科学家在理论和实验方面在分子电子器件领域做了很多的工作。其中，具有负微分电阻效应的分子电子器件以其在放大，逻辑运算，存储等方面的潜在的运用受到人们的广泛关注。在较多的器件中人们都发现了负微分电阻效应，比如硅纳米线[1]，铜/硫-偶氮苯-硫/铜[2]，铝/碳纳米管/铝分子结[3]等。 此外，在分子电子器件的自旋电子研究方面，由于石墨烯和石墨烯纳米带的制备，研究者们认为其可作为自选电子器件的电极用于自旋的注入[4]。由于用碳单链连接两个石墨烯电极的分子电子器件结构比较简单，同时碳单链在实验中已经被成功的从石墨烯纳米带中挖出[5-7]，并且证实其能成为分子电子器件中一个重要的部分[8,9]。因此，研究者们对将以碳单链作为分子结，石墨烯作为电极的分子电子器件进行了大量的研究。[10-12] 人们对不同长度的碳链以及石墨烯电极不同边缘的情况[10,11]，以及碳链与电极边缘角度不为90度的情况[12]的器件的电子传输性能进行了研究。M. G. Zeng[12]等人更是发现该种器件具有良好的自旋滤波和自旋阀的性能。但是，至今所有的研究都是在二维平面内进行的研究。对于实际的分子电子器件，两个电极不一定在同一平面内，针对这样的一个问题。我们研究了以碳单链（碳原子数目固定）连接的具有电极之间不同的高度的模型的电子传输性能，并进行了横向的对比。 2.模型和计算方法 本文讨论了具有不同高度电极（0?、2?、4?、5?、6?、9?）的分子电子器件，如图1所示。同时，当左右电极中碳原子自旋方向都设置为1时，即为同自旋；左电极中碳原子自旋方向设置为1，右电极碳原子自旋方向设置为-1时，即为反自旋。N-ZGNR代表石墨烯纳米带在宽度上有N个zig-zag碳链。我们选取的是4-ZGNR电极，因为只有在偶数时由于ZGNRsD对称性才会体现出自旋滤波效应[13]。另外，研究表明碳链碳原子个数为奇数时，碳原子之间的成键情况为碳碳双键；碳原子的个数为偶数时，碳原子之间的成键情况为碳碳单键和碳碳三键交替连接。在我们的模型中，我们选择的碳原子个数为8。 本文中的自旋电子传输性能计算及建模优化都是通过基于非平衡格林函数混合自旋极化密度泛函理论的从头计算软件包 Atomistix ToolKit（ATK)[14,15]。计算中，使用的假设是考虑电子自旋的局域密度近似（LSDA)，k点网格的选取为1x1x100，哈密顿量和电子密度的收敛精度是0.004。优化过程中，使用quasi- Newton方法进行计算直到每个原子的受力收敛精度小于0.05ev/?。自旋电流的计算是通过Landauer-Buttiker方程[9,12,16,17]： 其中，μL/R是左/右电极的电化学能，Tσ(E，V)是在能量E，偏压V下的自旋电子传输概率，fL/R（E）=1/[1+exp((E-μL/R)/KBT)]则是费米-狄拉克分布函数。 结果与讨论 3.1 ZIGZAG碳纳米带电极 在研究各个模型之前，我们计算了ZGNR的能带结构如图2所示，左边的能带图没有考虑自旋的影响，是典型的金属性质；右边我们考虑了自旋引入LSDA交换泛函，从图中很明显看到由于电子自选的影响，能带分裂成两部分，且在费米能附近出现了带隙。 3.2 T4(高度为4?)I-V特性曲线 如图3，高度为4?时器件的I-V曲线 3.2.1自旋滤波效应 如图3所示对于反平行自旋电极，在正偏压下只有自旋向上的电流可以通过而在负偏压下又只有自旋向下的电流可以通过。