基於石墨烯的功能分子器件的理論設計

《基於石墨烯的功能分子器件的理論設計》是依託長沙理工大學，由鄧小清擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於石墨烯的功能分子器件的理論設計
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：鄧小清
• 依託單位：長沙理工大學

項目摘要

隨著科學技術的不斷發展和電子器件的小型化，以矽為主的半導體材料及其傳統積體電路的設計已不能滿足要求，石墨烯的出現給納米電子學的發展帶來了誘人的前景。本項目以石墨烯為研究對象，著眼於研究前沿，深入探討石墨烯的電學性質及器件功能。主要研究內容包括：缺陷、摻雜石墨烯電子結構特性；石墨烯整流器、石墨烯開關及石墨烯自旋過濾器的電子輸運特性；金屬電極與石墨烯的耦合模擬；等，並充分考慮不同金屬電極、石墨烯化學修飾、門電壓對石墨烯能級的調節作用。研究方法採用密度泛函理論及非平衡態格林函式輸運理論計算體系的電子結構及輸運特性，並運用分子軌道理論、雜化軌道理論和自旋軌道理論進一步分析其輸運本質。本項目力圖構建基於石墨烯的整流、開關和自旋過濾等功能分子器件的理論模型，為實驗套用研究提供系統的結構模型、物理原理和性能參數。

結題摘要

電子學技術未來的發展，將以“更小，更快，更冷”為目標。“更小”是進一步提高晶片的集成度，“更快”是實現更高的信息運算和處理速度，而“更冷”則是進一步降低晶片的功耗。隨著現代科技的飛速發展和電子器件微小化進程的不斷加速，傳統的微電子學已逐漸進入納米領域，微電子器件必將過渡到納米電子器件。石墨烯具有結構穩定、電子遷移率高、且易於製備、裁剪和操縱等特點，適合作為新型納米器件材料。本項目以石墨烯為研究對象，深入探討石墨烯的電子結構，器件功能及性能最佳化。主要研究內容包括：石墨烯的邊緣改性研究；摻雜效應的研究；吸附效應的研究；扭曲形變的研究，缺陷效應研究，等，研究方法採用基於非平衡態Green函式與密度泛函理論的第一原理方法，並充分計入電極的影響，旨在構建基於石墨烯的整流、開關和自旋過濾等功能分子器件的理論模型，為實驗套用研究提供系統的結構模型、物理原理和性能參數。本項目重點對鋸齒形石墨烯納米帶的邊緣改性進行了深入研究（納米帶的兩個邊緣分別用單氫和雙氫飽和），發現其具有雙極化自旋半導體特徵，並且基態為鐵磁性，調節電極的自旋構型，器件自旋過濾效率能達到100%；將單氫飽和和雙單氫飽和的石墨烯耦合成異質結，改變石墨烯的寬度，發現所有的體系均表現出雙自旋過濾效應。進一步發現單氫和雙氫邊緣的電子輸運性能也不同，雙氫邊緣比單氫邊緣具有更好的電子透射性能。我們進一步調查了碳鏈連線在上述石墨烯電極的電子和自旋輸運特性，考慮了兩電極在相同或者相反自旋構型的情況，但是只有相反的自旋構型下器件才具有自旋過濾效應。用單氫飽和石墨烯取代其中一個電極，分子器件在兩種自旋構型下均表現出自旋過濾效應；但是碳鏈與石墨烯的連線方式對器件的影響也很大，特別是當碳鏈末端與石墨烯苯環上的兩個相鄰碳原子連線時，器件表現出1000000%的磁阻效應。