氮掺杂对单壁碳纳米管的非平衡电子输运特性的影响

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1、第!"卷!第"期半!导!体!学!报5678!"!(68"!##$年"月%&'()*)+,-.(/0,1*)2'%,(3-%4,.*/9:8!!##$氮掺杂对单壁碳纳米管的非平衡电子输运特性的影响"韦建卫!胡慧芳Q!曾!晖!王志勇!王!磊!张丽娟"湖南大学物理与微电子科学学院!长沙!XT##"!#摘要!利用结合了非平衡格林函数的第一性原理的局域密度泛函理论!研究了氮原子取代掺杂单壁碳纳米管的输运特性8计算结果表明!不同构形和不同数目的氮原子掺杂对""!##单壁碳管的输运性能有复杂的影响8研究发现!氮原子的掺杂提高了半导体型碳管的输运性能!

2、电流Y电压曲线呈非线性变化8对于浓度相同的氮掺杂!原胞内最近邻氮原子间距极大地影响了碳管的输运性能8因此!基于掺杂管的分子器件的设计中很有必要考虑这些因素8关键词!单壁碳纳米管&氮掺杂&输运特性@;(($$T!]e&PP!#中图分类号!,XO^!!!文献标识码!/!!!文章编号!#!]PYXT$$"!##$##"YT!TOY#]C!引言D!模型和计算方法碳纳米管"%(4A#作为一种新型的一维纳米材应用密度泛函理论"314#和非平衡格林函数'T('TO(料!自T^^T年被'N=NJG发现以来!由于其独特的方法"()d1#!以理想的""!#

3、#碳纳米管为研究电子结构,良好的热稳定性,优异的力学性能和奇异对象!选取其中X层碳环为一个原胞"如图T"G#所的电学性能!已成为世界性研究热点之一8碳纳米管示#!经过结构优化后!分别对其进行不同浓度和不可分为单壁碳纳米管"*U%(4A#和多壁碳纳米管同位置的氮原子取代掺杂并予以结构优化8图T"G#"2U%(4A#8*U%(4A可以看作由一层石墨烯卷给出了X种不同的掺杂构形中氮原子的位置!"T#曲而成!其结构由卷曲矢量;描述!在/格点用氮原子取代一个碳原子!记为/型掺Fg($TZ'$!式中$和$为单位矢量!(!'是整数8随着卷绕杂&"!#

4、同时取代/和M格点上的碳原子!记为/MT!方式的不同!碳纳米管既可以表现为金属性!又可表型掺杂&"P#同时在/和%格点进行取代掺杂!记'!!P(为/%型掺杂&"X#同时在/和3位置进行取代掺现为半导体性8这种奇异特性使其具有广阔的应用前景'X#TP(8杂!记为/3型掺杂8每个掺杂构形分别构建成一个'T$(大量研究表明!对碳纳米管进行掺杂是改变碳双探针体系!如图T"D#所示8M表示电极的缓冲管电子输运特性的有效途径'"#TP(8对*U%(4A中区域!计算中并未直接涉及!0".#!%分别指左电的氮原子掺杂的研究较多8实验上常用的掺杂方法极区

5、"右电极区#和中心散射区8黑色箭头是指输运有!取代反应法'TX(!电弧蒸发法和电磁管溅射法'T](方向8其中中心间散射区包括有两个原胞"T!"个原等!研究多壁碳纳米管的居多8理论上'X!]!"#T#(大多子#!而左"右#电极则利用周期边界条件将一个原胞数都局限于在平衡条件下对各种简单掺杂构形的掺向左"右#无限延伸8在计算中使用标准的模方守恒杂研究8但是碳纳米管分子器件多是在偏压情况下赝势"(%;;#和局域密度近似的;>SYV9K:><的应用8其中一个非常重要的问题就是不同浓度,不交换关联泛函!计算使用原子轨道基组!选取截断能同构形

6、的掺杂原子对于输运性能的影响!这是亟待为T##.E8在双探针模型中电流Y电压的关系为$#"%JG解决的问题8为了进一步了解氮原子掺杂构形和掺L>CJ"*7A*<#2"J#"$#杂浓度对*U%(4A的电子输运特性的影响!本文对44%JNK式中!透射2"J#是电子能量J的函数$*U%(4A在偏压作用下的输运特性进行探讨8这对7<./基于碳纳米管的分子器件研究有重要意义82"J#>"4<''J"(U(U#("##"国家自然科学基金资助项目"批准号$]#P$!#T"#Q通信作者8)JGN7$:9LOO^]"!FK98?K!!##$Y#!Y#P

7、收到!!##$Y#PYT]定稿"!##$中国电子学会第"期韦建卫等$!氮掺杂对单壁碳纳米管的非平衡电子输运特性的影响$#$%图T!掺杂位置和计算模型示意图!"G#""!##原胞中的掺杂氮原子位置图&"D#双探针模型示意图'T$(1N:8T!;6AN@N6KA6L@F>A9DA@N@9@N6KGKCA_>@?F6L@F>J6C>7A!"G#;6AN@N6K6LKN@<6:>KG@6JAA9DA@N@9@>CNK@F>?>776L""!##&"D#*?F>JG@N?C69D7>YB<6D>AJ6CY'T$(>7其中!"是电子电荷&(7"(<

8、#是左"右#电极的自能&U"U/#是推迟"超前#格林函数&*"*#是左.7<"右#电极的电子分布函数8此外!"%JNKgJNK%7Z"=D!%<#"%JGgJG"%7Z"=D!%<##为外加偏压=D图!