劉 文

（濟(jì)寧學(xué)院物理與信息工程系，山東 曲阜273155）

門電壓調(diào)控的ZGNR/AGNR/ZGNR異質(zhì)結(jié)電輸運(yùn)性質(zhì)研究

劉 文

（濟(jì)寧學(xué)院物理與信息工程系，山東 曲阜273155）

采用第一性原理計(jì)算方法，研究了門電壓調(diào)控的ZGNR/AGNR/ZGNR異質(zhì)結(jié)電輸運(yùn)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)，門電壓調(diào)控對(duì)異質(zhì)結(jié)電輸運(yùn)性質(zhì)有重要影響，表現(xiàn)為先增強(qiáng)再抑制．隨著異質(zhì)結(jié)中心區(qū)AGNR長(zhǎng)度的減小，體系的電流急劇增大．電荷輸運(yùn)能力的增強(qiáng)與異質(zhì)結(jié)的長(zhǎng)度和透射譜密切相關(guān)．

石墨烯納米帶； 電荷輸運(yùn)； 門電壓

1 引 言

隨著納米電子學(xué)蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了很多新穎的納米電子器件材料.碳基納米器件被認(rèn)為是當(dāng)今硅基半導(dǎo)體器件最為理想的替代者.碳基納米材料中，石墨烯作為最薄的單原子層二維材料,其極高的載流子遷移率、熱導(dǎo)率以及優(yōu)越的光學(xué)和力學(xué)特性,使其成為制備柔性透明高性能場(chǎng)效應(yīng)管的熱門材料之一[1-3].但是石墨烯無帶隙的特點(diǎn)限制了它在場(chǎng)效應(yīng)管等邏輯器件中的應(yīng)用，因此，對(duì)石墨烯打開合適的帶隙成為一個(gè)急需解決的問題.理論和實(shí)驗(yàn)研究都表明行之有效的打開石墨烯帶隙的方式之一，就是將二維石墨烯剪裁成準(zhǔn)一維石墨烯納米條帶[4,5].

我們將具有不同電學(xué)特征（特別是帶隙）的石墨烷納米帶與石墨烯納米帶連接起來，構(gòu)建由石墨烯納米帶和石墨烷納米帶組成的異質(zhì)結(jié)，采用第一性原理計(jì)算方法，研究門電壓調(diào)控的該異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)特性.

2 模型和計(jì)算方法

本文要研究的分子器件模型如圖1所示，扶手椅型的石墨烯納米帶（AGNR）連接兩個(gè)半無限大的鋸齒型石墨烯納米帶（ZGNR），構(gòu)成了ZGNR/ AGNR/ZGNR異質(zhì)結(jié).整個(gè)系統(tǒng)包括三個(gè)部分: 左電極、中心區(qū)以及右電極.首先進(jìn)行器件幾何構(gòu)型的優(yōu)化.分子體系的電子結(jié)構(gòu)及電流-電壓（I-V）特性等的計(jì)算，采用基于非平衡格林函數(shù)和密度泛函的 ATK2 .0程序包[8].其中體系的電流可由Landauer- Buttiker公式求出,即

其中e為電子電量,h為普朗克常數(shù),系數(shù) 2代表考慮電子自旋,μL,μR分別為左右電極的化學(xué)勢(shì),Vb為左右兩電極的電壓,為能量的積分區(qū)域.是左右電極的電子費(fèi)米分布函數(shù),T(E,Vb)為在能量 E、外加偏壓為Vb時(shí)體系的投射系數(shù).計(jì)算中,內(nèi)層電子用

Troullier-Nartins贗勢(shì),價(jià)電子用SIESTA 局域數(shù)值基組展開,ZGNR與AGNR都選用DZP(double +polarization),電子交換關(guān)聯(lián)勢(shì)為L(zhǎng)DA(localdensity approximation).

圖1 ． ZGNR/AGNR/ZGNR異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖．方框區(qū)域表示電極原胞．兩條黑色實(shí)線所夾的部分為AGNR的最小重復(fù)單元．

3 結(jié)果與討論

我們首先研究了中心區(qū)長(zhǎng)度為5個(gè)AGNR最小重復(fù)單元的異質(zhì)結(jié)（記為L(zhǎng)5）的電輸運(yùn)性質(zhì)，其電流電壓關(guān)系曲線如圖2（a）所示.從中可以看到，在（0,1.2V）的源漏極電壓范圍內(nèi)，電流增長(zhǎng)緩慢.當(dāng)源漏極電壓Vb增加至1.5V后，電流出現(xiàn)了較快的增長(zhǎng)，特別是在門電壓為0.3V的情況下，電流增加最為迅速.而當(dāng)門電壓增加至0.6V時(shí)，電流增加幅度減弱，門電壓進(jìn)一步增加到0.9V時(shí)，電流值減小到基本與不加門電壓的情況相同.所以對(duì)于L5異質(zhì)結(jié)，門電壓對(duì)電荷輸運(yùn)的影響表現(xiàn)為先增強(qiáng)再抑制.為了確定門電壓的這種電荷輸運(yùn)調(diào)制行為是否存在于其它長(zhǎng)度的異質(zhì)結(jié)中，我們討論了L6與L4異質(zhì)結(jié)的I-V關(guān)系，如圖2（b）、（c）所示，發(fā)現(xiàn)對(duì)于L6和L4異質(zhì)結(jié)，門電壓對(duì)電荷輸運(yùn)的調(diào)控行為與L5類似.不同的是，在L4體系中，在（0.2V，0.8V）的偏壓范圍內(nèi)電流隨著偏壓的增加而減小，出現(xiàn)了負(fù)微分電阻現(xiàn)象.隨著偏壓進(jìn)一步增大，電流逐漸增大且增大的幅度遠(yuǎn)大于L5和L6.表明，門電壓對(duì)長(zhǎng)度較短的L4體系的電荷輸運(yùn)調(diào)控的影響大于對(duì)L5和L6體系的調(diào)控.最后，我們還討論了更短的L3體系的I-V特性.與前面提到的三個(gè)體系相比，在相同的源漏極電壓和門電壓下，L3體系的電流輸運(yùn)能力明顯增強(qiáng).在Vb=0.2V時(shí)，電流值就達(dá)到了7.5μA，比在相同偏壓下L4、L5、L6體系中的電流大幾十倍.在（0.6V，0.8V）的偏壓范圍內(nèi)也出現(xiàn)了負(fù)微分電阻現(xiàn)象.

為了理解四個(gè)體系中L3體系更強(qiáng)的電荷輸運(yùn)能力，我們比較了L3與其它體系的透射譜，以L4為例.圖3（a）、（b）給出了Vb=0.6V，門電壓gate=0.9V下，L3與L4的透射譜，虛線所夾的區(qū)域?yàn)槠珘捍?電流值是由進(jìn)入偏壓窗的透射曲線與偏壓窗所圍成的區(qū)域的面積決定的，很明顯，L3在偏壓窗內(nèi)有兩個(gè)較大的透射峰，它們對(duì)電流的貢獻(xiàn)很大.L4在偏壓窗內(nèi)的透射系數(shù)很小，且在費(fèi)米能級(jí)附近存在約0.3eV的透射帶隙，導(dǎo)致電流值較小.

圖4給出了L4體系在不同偏壓下的透射譜，借助透射譜的分析我們可以較好地理解L4中出現(xiàn)的負(fù)微分電阻現(xiàn)象.從圖中看以看到，在偏壓窗內(nèi)的透射系數(shù)較小.在Vb=0.2V時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近未觀察到明顯的透射帶隙.隨著偏壓的增大，費(fèi)米能級(jí)附近的透射帶隙逐漸打開變寬，因此在（0.2V，0.8V）的偏壓范圍內(nèi)，隨著偏壓的增大電流沒有增加反而減小，即負(fù)微分電阻效應(yīng).

圖2 L3-L6體系在不同門電壓下的I-V曲線

圖3 Vb=0．6V，門電壓gate=0．9V下，（a）L3與（b）L4的透射譜

圖4 L4體系在不同偏壓下的透射譜(a) Vb=0．2V，(b) Vb=0．4V，(c) Vb=0．6V，(d) Vb=1．0V

4 總 結(jié)

采用非平衡格林函數(shù)與密度泛函理論將結(jié)合的方法，研究了門電壓調(diào)控的ZGNR/AGNR/ZGNR異質(zhì)結(jié)的電荷輸運(yùn).發(fā)現(xiàn)，門電壓對(duì)異質(zhì)結(jié)電荷輸運(yùn)的影響表現(xiàn)為先增強(qiáng)再抑制.當(dāng)減小異質(zhì)結(jié)中心區(qū)AGNR的長(zhǎng)度到一定程度時(shí)，通過異質(zhì)結(jié)的電流明顯增加.這種電荷輸運(yùn)能力的增強(qiáng)與體系透射譜的變化有密切關(guān)系.

[1] G E Moore. Cramming More Components onto Integrated Circuits[J]. Electronics Magazine. 1965(38):114-117.

[2] D Reddy, L F Register, G D Carpenter, S K Banerjee. Graphene field-effect transistors[J]. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011(44):313001-313007.

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（責(zé)任編輯 程 杰）

Gate modulation on the Electronic Transport Properties of ZGNR/AGNR/ ZGNR heterojunctions

LIU Wen
(Physics and Information Engineering Department ,Jining University，Qufu 273155,China)

The electronic transport properties of ZGNR/AGNR/ZGNR heterojunctions under gate modulation is investigated within the first-principle method. It is found that the charge transport depend significantly on the gate modulation. With the enhancement of the gate voltages the current increases first and then drops. Moreover, the current increases drastically with the length decrease of the central region.

grapheneribbon; charge transport; gate voltage

O469

A

1004—1877（2014）03—049—03

2014-01-18

劉文（1982-），女，山東濟(jì)南人，濟(jì)寧學(xué)院物理與信息工程系副教授，博士，研究方向：分子電子學(xué).

山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（J13LJ53）