鄧小清，孫琳，李春先

(長沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙，410114)

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硼氮摻雜碳納米管的電子輸運(yùn)性能

鄧小清，孫琳，李春先

(長沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)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(gè)C60連接，兩納米管之間用烷鏈連接，構(gòu)建了電子器件，通過在C60上進(jìn)行硼氮摻雜，發(fā)現(xiàn)器件具有明顯的整流效應(yīng).進(jìn)一步研究了不同長度烷鏈的電子輸運(yùn)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(yīng)；第一性原理方法

目前，納米技術(shù)的主要目標(biāo)之一是電子設(shè)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(shí)電子信息材料領(lǐng)域的重要任務(wù)，碳基材料一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，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(bào)道，例如整流效應(yīng)[4]，自旋過濾效應(yīng)[5]和二極管效應(yīng)[6]等.本文中我們構(gòu)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(gè)C60分子進(jìn)行封閉，兩個(gè)電極之間通過烷鏈連接，然后在C60上進(jìn)行B/N摻雜，計(jì)算器件的I-V特特，發(fā)現(xiàn)器件具有明顯的整流效應(yīng).進(jìn)一步研究了不同長度烷鏈的電子輸運(yùn)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(jié)構(gòu)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(gè)CH2來描述，(a)圖對應(yīng)n=3和5，(b)圖對應(yīng)n=7，9和11.我們發(fā)現(xiàn)5個(gè)器件的電流在正負(fù)偏壓下都是不對稱的，負(fù)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(fù)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(gè)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(jì)算了五個(gè)模型零偏壓下的透射譜T(E,V)，如圖3所示.本文所有的費(fèi)米能級設(shè)置為0，費(fèi)米能級以下的第一個(gè)透射峰為最高占據(jù)分子軌道(HOMO)共振峰，費(fèi)米能級之上的第一個(gè)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(gè)模型中，HOMO 比LUMO更加靠近費(fèi)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(shí)，電子的輸運(yùn)路徑短，電子的透射性能也相對強(qiáng)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?yàn)槠珘捍翱?(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(jì)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(gè)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(fù)兩個(gè)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(dòng)而遠(yuǎn)離費(fèi)米能，并且總是位于偏壓窗外，盡管高偏壓下，LUMO 進(jìn)入了偏壓窗，但是透射系數(shù)變得很小，導(dǎo)致正偏壓下的電流較小.然而，在負(fù)偏壓下，隨著偏壓的增大,HOMO和LUMO峰均向費(fèi)米能移動(dòng)，在偏壓窗內(nèi)逐漸合并成一個(gè)寬而高的透射峰，因此負(fù)偏壓下的電子透射很強(qiáng)，導(dǎo)致負(fù)偏壓下的電流較大.(CH2)7模型，我們也清楚的看到正負(fù)偏壓下，主要透射峰的移動(dòng)方向和數(shù)值隨偏壓而變化，負(fù)偏壓下的透射也是明顯強(qiáng)于正偏壓.對于(CH2)7模型，偏壓為1V和-1V時(shí)，我們計(jì)算了實(shí)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(shí)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(gè)電壓傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電極；而偏壓為1V時(shí)，本征態(tài)的分布非常局域，烷鏈上幾乎沒有，導(dǎo)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(yùn)性質(zhì).發(fā)現(xiàn)隨著烷鏈長度的增加，電子的輸運(yùn)能力明顯減弱，但是不同長度的器件均表現(xiàn)出整流效應(yīng).

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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(xué)基金資助項(xiàng)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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