硼氮摻雜碳納米管的電子輸運性能

鄧小清，孫琳，李春先

(長沙理工大學 物理與電子科學學院,湖南 長沙，410114)

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硼氮摻雜碳納米管的電子輸運性能

鄧小清，孫琳，李春先

(長沙理工大學 物理與電子科學學院,湖南 長沙，410114)

基于密度泛函理論的第一性原理，我們采用碳納米管做電極，且納米管一端與半個C60連接，兩納米管之間用烷鏈連接，構建了電子器件，通過在C60上進行硼氮摻雜，發(fā)現(xiàn)器件具有明顯的整流效應.進一步研究了不同長度烷鏈的電子輸運性能，發(fā)現(xiàn)選擇合適的碳鏈長度，有利于提高器件的整流系數(shù).

納米管；整流效應；第一性原理方法

目前，納米技術的主要目標之一是電子設備的小型化，找到合適的材料是了解其納米尺度上的屬性實電子信息材料領域的重要任務，碳基材料一直是人們關注的熱點，目前常見的有碳富勒烯[1]、碳納米管(CNTs)[2]、石墨烯[3]等.基于碳材料分子器件的新功能性質(zhì)不斷被報道，例如整流效應[4]，自旋過濾效應[5]和二極管效應[6]等.本文中我們構建了由烷鏈，納米管組成的分子器件，器件的電極采用納米管，納米管的一端用半個C60分子進行封閉，兩個電極之間通過烷鏈連接，然后在C60上進行B/N摻雜，計算器件的I-V特特，發(fā)現(xiàn)器件具有明顯的整流效應.進一步研究了不同長度烷鏈的電子輸運性能，發(fā)現(xiàn)選擇合適的碳鏈長度，有利于提高器件的整流系數(shù).

圖1 器件模型結構示意圖Fig.1 Structure of a molecular device in our simulations.

圖2 不同長度烷鏈模型的電流-電壓曲線和整流曲線(a) n=3 和 5，(b) n=7,9,和11.Fig.2 The I-V characteristics and ratio R change with the different length of n-alkane chain models.(a) For n=3 and 5,(b)for n=7,9,and 11.

如圖2 (a)和(b)，給出的不同長度的烷鏈模型的電流-電壓曲線和整流曲線，偏壓范圍從-1.0到1.0V，烷鏈的長度用n個CH2來描述，(a)圖對應n=3和5，(b)圖對應n=7，9和11.我們發(fā)現(xiàn)5個器件的電流在正負偏壓下都是不對稱的，負偏壓下的電流明顯高于正偏壓，并且隨著烷鏈長度的增加，電流的數(shù)值是逐漸減小的.電流的非對稱可以通過整流比R來描述，這里定義為負偏壓下的電流與正偏壓下電流的比值.比較而言,(CH2)7 模型具有最大的整流效率，在1V電壓下，具有最大整流比為204；其次是(CH2)9模型，最大整流比為153，對于 (CH2)3模型,整流效率相對于其他模型都要低，最大整流比只有30，而 (CH2)5 和 (CH2)11模型，最大整流比分別為 113 和136.

圖3 五個模型在零偏壓下的透射譜Fig.3 The transmission spectra for five models at zero bias

我們計算了五個模型零偏壓下的透射譜T(E,V)，如圖3所示.本文所有的費米能級設置為0，費米能級以下的第一個透射峰為最高占據(jù)分子軌道(HOMO)共振峰，費米能級之上的第一個透射峰為最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)共振峰.我們可以觀察到五個模型中，HOMO 比LUMO更加靠近費米能，也就是說在低偏壓下，電子的透射受HOMO峰的影響較大.由于烷鏈較短時，電子的輸運路徑短，電子的透射性能也相對強一些，因此我們看到隨著烷鏈的增加，HOMO 與LUMO峰的高度明顯降低.比較了(CH2)3～(CH2)11模型(CH2)11，電子的透射非常弱，從而只有微弱的電流.

圖4 不同偏壓下的透射譜，偏壓分別為±0.2,±0.6 和±1.0 V,兩虛線之間的區(qū)域為偏壓窗口.(a) n=3,(b) n=7Fig.4 the transmission spectra of n-alkane chain models at biases of ±0.2,±0.6,and ±1.0 V,respectively,the region bias between two dash lines indicates the bias window.(a)For n=3,(b) for n=7

為了更深入的理解器件電流的非對稱性，我們計算了(CH2)3和(CH2)7模型在偏壓分別為±0.2,±0.6 和±1.0V下的透射譜，如圖4所示，根據(jù)landauer-büttiker公式，電流是在偏壓區(qū)間透射系數(shù)的積分面積，可見透射系數(shù)和偏壓窗口的大小是影響電流大小的兩個因素.在能量偏壓窗內(nèi)的主要透射峰值對分子整流的影響起主要作用，展現(xiàn)了正負兩個偏區(qū)間具有不同的變化趨勢，對于(CH2)3模型，隨著正向電壓的增加，HOMO 峰逐漸向低能方向移動而遠離費米能，并且總是位于偏壓窗外，盡管高偏壓下，LUMO 進入了偏壓窗，但是透射系數(shù)變得很小，導致正偏壓下的電流較小.然而，在負偏壓下，隨著偏壓的增大,HOMO和LUMO峰均向費米能移動，在偏壓窗內(nèi)逐漸合并成一個寬而高的透射峰，因此負偏壓下的電子透射很強，導致負偏壓下的電流較大.(CH2)7模型，我們也清楚的看到正負偏壓下，主要透射峰的移動方向和數(shù)值隨偏壓而變化，負偏壓下的透射也是明顯強于正偏壓.對于(CH2)7模型，偏壓為1V和-1V時，我們計算了實空間的透射本征態(tài)，如圖4(b)的上方所示，比較而言，偏壓為-1V時的透射本征態(tài)在烷鏈和電極上均有較大的分布，因此電子能夠通過烷鏈從一個電壓傳輸?shù)搅硪粋€電極；而偏壓為1V時，本征態(tài)的分布非常局域，烷鏈上幾乎沒有，導致電子的透射很弱.

利用基于密度泛函理論的第一性原理方法，研究了由烷鏈連接于氮或硼原子摻雜的碳納米管的輸運性質(zhì).發(fā)現(xiàn)隨著烷鏈長度的增加，電子的輸運能力明顯減弱，但是不同長度的器件均表現(xiàn)出整流效應.

[1]Z.Q.Fan,K.Q.Chen,Q.Wan,et al.Theoretical investigation of the negative differential resistance in squashed C60molecular device[J].Appl.Phys.Lett.,2008,92(26):263304-1-263304-5．

[2]Z.H.Zhang,J.Peng,H.Zhang.Low-temperature resistance of individual single -walled carbon nanotubes:A theoretical estimation[J].Appl.Phys.Lett.,2001,79(21) :3515-3517．

[3]Li-hua Wang,Zi-zhen Zhang,Jian-Guo Zhao,et al.Bipolar spin-filtering effect in B- or N-doped zigzag graphene nanoribbons with asymmetric edge hydrogenation[J].Phys.Lett.A,2015,379:2860-2865.

[4]L.H.Wang,Y.Guo,C.F.Tian,et al.Torsion angle dependence of the rectifying performance in molecular device with asymmetrical anchoring groups[J].Phys.Lett.A，2010,374：4876-4879.

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[6]Z.H Zhang,J.J.Zhang,G.Kwong,et al.All-carbon sp-sp2hybrid structures:Geometrical properties,current rectification,and current amplification[J].Sci.Rep.,2013,3:2575-1-2575-7.

[7]R.Landauer.Electrical resistance of disordered onedimensional lattices[J].Philos Mag.,1970,21(172):863-867.

The electronic transport properties for B/N doped carbon nanotube

DENG Xiaoqing,SUN Lin,LI Chunxian

(School of Physics and Electronic Science,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China)

By using the first-principles method based on the density-functional theory,the electronic transport properties of for the systems consisting of the carbon nanotubes,B/N doped CNT caps (derived from half of a C60 molecule) and alkane chains.The rectification can be expected with different length of alkane chains,and the appropriate length of carbon chain can improve the rectifier coefficient.

carbon nanotube;electronic transport;first-principles method

1672-7010(2016)02-0021-04

2016-03-09

湖南省自然科學基金資助項目(2015JJ3002)

鄧小清(1974-)，女，湖南寧鄉(xiāng)人，博士，副教授，從事電子信息材料與器件的研究；E-mail:xq_deng@163.com

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