本文選題：密度泛函理論　切入點：非平衡格林函數(shù)　出處：《湖南大學》2016年博士論文

【摘要】：本論文在闡述了分子電子學產生背景和分子器件應用前景的基礎上,采用了基于密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)輸運理論相結合的第一性原理計算方法,系統(tǒng)地研究了分子體系的電子結構和輸運性質。著重研究了配位原子摻雜、分子鏈的長度、電極-分子的接觸類型、分子結的構型、化學修飾以及門壓等對體系電子輸運性質的影響。觀察到明顯的負微分電阻行為、電學整流效應,深入探討了分子器件中的開關比、自旋過濾以及自旋極化等,并給出了相應的輸運量子調控的理論機理。本論文主要研究以下幾部分內容:運用基于密度泛函數(shù)理論和非平衡態(tài)格林函數(shù)電子輸運計算相結合的第一性原理方法,我們研究了用雙N原子取代摻雜兩個準相鄰晶格C原子的扶手型石墨烯納米條帶的電子能帶結構及電荷輸運特性。研究結果表明N2A A摻雜扶手性納米條帶的電學性能根據(jù)N2A A的位置不同可以呈現(xiàn)半導體和金屬特性,因此我們可以通過調控N2A A位置實現(xiàn)扶手型石墨烯納米條帶的開關效應。我們所構建的體系在半導體和金屬性質之間的轉變主要歸根于N原子和C原子的Pz軌道之間的耦合作用。此外在這種雙N摻雜的扶手型納米條帶器件中,我們可以觀察到明顯的負微分電阻效應。因此通過調控N2A A位置可以使分子體系呈現(xiàn)完全不同的電荷輸運性質。接著,我們研究了在不同寬度的N2A A摻雜的扶手型石墨烯納米條帶器件的輸運性質。我們用N2A A取代分子器件中一個電極的中心或者邊緣的雙C原子,而體系的另一個電極則不摻雜。結果表明,分子器件的電子輸運性質不僅依賴雙N原子的摻雜位置,而且也受納米條帶寬度的影響。通過調節(jié)扶手型石墨烯納米帶的寬度以及N2A A的位置,可以有效的調控器件的整流率。進一步發(fā)現(xiàn),寬度為10的邊界N2A A摻雜的扶手型石墨烯納米分子器件的整流比最大,而且我們證明了體系左右電極能帶的匹配以及其對應的分子投影自洽哈密頓量間的耦合作用是產生明顯整流效應的根本原因。運用密度泛函理論與非平衡格林函數(shù)相結合的方法,我們研究了邊緣鈍化的鋸齒形石墨烯納米帶異質結的輸運特性。計算結果表明sp2和sp3共存可以使鋸齒形石墨烯納米帶變成具有穩(wěn)定帶隙的半導體材料。我們發(fā)現(xiàn)邊界為sp2和sp3鈍化的鋸齒形石墨烯納米條帶之間軌道對稱不匹配抑制了電導邊界態(tài),而且?guī)兜拇笮≈饕怯蓅p2邊界鋸齒形石墨烯納米帶的第二最高價帶與第二最低導帶之間的能量差來決定。研究發(fā)現(xiàn)sp2和sp3邊界鈍化的鋸齒形石墨烯納米條帶的半導體特性也受條帶寬度的影響,在寬度為奇數(shù)時,分子器件的能隙都較小,且?guī)峨S其寬度的增加遞減地很快。而當寬度為偶數(shù)時,體系的帶隙都相對比較大,其隨寬度遞減比較緩慢。我們研究了單碳鏈通過不同的連接方式夾在兩個鋸齒形石墨烯納米條帶電極中間組成的碳鏈分子結的自旋輸運性質。通過改變碳鏈與鋸齒形石墨烯之間的連接方式調制器件自旋輸運特性。結果表明,當體系左右電極處于反鐵磁態(tài)時,整體電導能力較弱,表現(xiàn)為半導體性質。而體系處于鐵磁態(tài)時,自旋向下的電子被抑制,仍然保持絕緣體性質,而自旋向上的電子電導能力較好,表現(xiàn)為金屬性,因而在費米能附近出現(xiàn)完美的自旋分離效應。在碳鏈長度確定的情況下,53連接的構型的自旋向上的電子比56/36分子結的導電性能較好。其次,這些不對稱分子器件的自旋輸運在一定的能量范圍內都表現(xiàn)100%的自旋電流極化效應。進一步研究表明,這些完美自旋過濾效應主要與不對稱體系的分子軌道與電極耦合強度有關。研究了一種由鉻卟啉連接兩條單原子碳鏈夾在半無線長的鋸齒形石墨烯納米條帶中間所組成的分子器件的自旋輸運性質。研究結果表明,當體系處于P態(tài)時,費米能處自旋向下的電子被抑制,其自旋向上的電子態(tài)密度分布卻是離散的,說明自旋向上的電子在體系中電導較好,表現(xiàn)為金屬性;而當體系處于AP態(tài)時,體系中的電子的傳輸能力被強烈抑制,使體系呈半導體性。此外,體系在P態(tài)與AP態(tài)都能具有100%的自旋電流極化效應,而且在AP中有整流比高達104的整流效應。因此,我們構建的器件中能表現(xiàn)有整流效應、負微分電阻效應以及自旋極化為100%的自旋分離效應等多種分子開關行為共存性質。進一步的研究表明,這些自旋效應主要歸根于鋸齒形石墨烯納米帶的π和π*子帶所固有的自旋輸運選擇以及分子軌道與電極之間耦合強度。
[Abstract]:In this paper the background and application prospect of molecular devices described in molecular electronics, the calculation method of density functional theory and non equilibrium Green function combined transport theory based on the first principle, systematic study of the electronic structure and transport properties of the molecular system. Focusing on the coordination of atoms and molecules the length of the chain, the contact type electrode molecule, molecular configuration, chemical modification and portal pressure transport properties of electrons. System was observed in the negative differential resistance behavior, electrical rectification effect, in-depth study of the molecular switch devices in the ratio of spin filtering and spin polarization, and gives the the transport mechanism of quantum control theory. This thesis mainly studies the following contents: Based on density functional theory and nonequilibrium Green function electron transport calculation combining The first principle method, we study the two atoms of armchair graphene nano doped two quasi lattice adjacent C atoms with electronic band structure and charge transport properties. The results show that the N2A doped A nanoribbons help chiral electrical properties according to the N2A A in different locations can present semiconductor and metal the characteristics, so we can achieve the armchair graphene nanoribbon switch effect by regulating the N2A A position. The coupling effect between the change in our constructed system between the semiconductor and metal properties mainly due to N and C atoms in the Pz orbital. In addition in the armchair with the double doped nano devices, we can observe the negative differential resistance effect. Therefore by regulating the N2A A position can make the system presents a completely different molecular charge transport properties. Then, we study in With the width of N2A A doped armchair graphene nanoribbon devices. We replace the transport properties of a molecular electrode devices in the center or edge using N2A A double C atom, and another electrode system is not doped. The results showed that the doping position of molecule device transport properties I only rely on atoms, but also influenced by nano strip width. By adjusting the width of the armchair graphene nano and the position of N2A A, can control the device effectively rectification rate. Further found that the width of armchair graphene nano molecular device N2A doped A 10 boundary of the rectification ratio but, we prove that the system can bring about electrode matching and their corresponding molecular projected self consistent Hamiltonian between coupling is the fundamental reason of the obvious rectifying effect. By using the density functional theory and non equilibrium Green function Combined method, we study the transport properties of zigzag graphene nano edge passivation with heterojunction. The calculation results show that SP2 and SP3 can make the coexistence of zigzag graphene nanoribbons into semiconductor materials with stable band gap. We found that the inhibitory conductance boundary boundary state between SP2 and SP3 passivation of sawtooth the shape of graphene nanoribbons orbital symmetry does not match, but the size of the band gap is mainly composed of SP2 boundary zigzag graphene nanoribbons with the highest price between second and second of the lowest conduction band energy difference to decide. The study found that the zigzag graphene nano SP2 and SP3 boundary passivation strips by semiconductor properties the effect of strip width, width in odd, molecular devices, energy gap is smaller, and the gap with the width decreasing quickly. When the width is even, the band gap of the system are relatively large, with the The width decreases slowly. We study the single carbon chain claw spin carbon chain molecule graphene nanoribbons composed of intermediate electrode junction in two saw the transport properties through different connections. By changing the carbon chain and zigzag graphene connection modulation devices spin transport properties. The results showed that when the system around the electrode in the antiferromagnetic state, the overall conductance capacity is weak, performance for the semiconductor properties. And the system is in a ferromagnetic state, spin down electrons are suppressed, and still maintain the insulator properties, electronic conductivity ability to spin up good performance for metal, so the Fermi energy in near perfect spin separation effect. The carbon chain length is determined, the conductive properties of 53 spin configuration and electronic upward than 56/36 molecular junctions is better. Secondly, spin these asymmetric molecular devices in a transport The energy range are spin polarized current effect 100%. Further study showed that the perfect spin filtering effect of molecular orbital and asymmetric system mainly related to electrode coupling strength. A study by chromium porphyrin linking the two atom carbon chain clip in spin transport properties of zigzag graphene nano wireless half long the band is composed of middle molecular devices. The results show that, when the system is in the P state, the Fermi energy at the electron spin down is suppressed, the spin up of the electron density distribution is discrete, electron spin up in system performance for metallic conductance is better; and when the system is in a AP state when the electron transfer capability in the system is strongly inhibited, so that the system is semiconductor. In addition, the current spin polarization effect system can have 100% in the P and AP States, and in AP the whole flow ratio Rectification effect up to 104. Therefore, we can construct the device performance rectification effect, negative differential resistance and spin polarization of 100% spin separation effect and other molecular switch coexistence properties. Further studies show that the spin effect is mainly attributed to zigzag graphene nanoribbons and pi pi * spin with inherent transmission coupling strength between the transport and molecular orbitals and electrodes.

【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O469

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本文編號：1671458