石墨烯纳米带载流子迁移率的多尺度理论研究

Carrier mobilities and carrier types directly affect the speed and properties of electronic devices. Graphene nanoribbons could be a new type of high-performance electronic devices because of their non-zero band gaps and high carrier mobilities. In graphene nanoribbon-based electronic devices, the relative magnitude of intrinsic carrier mobilities for holes and electrons is important to the design and operation of the devices, which can be p-type or n-type. In this project, a multi-scale theoretical investigation on the graphene nanoribbons both in macro-materials and micro-electronic devices is performed based on deformation potential theory and non-equilibrium Green's function method. The effect of edge roughness, edge-hydrogens as well as phonons on the carrier mobilities is systematically studied. The influence coming from the structural change on the carrier effective mass and deformation potential can be obtained by using crystal orbital analysis, which is useful for giving a way for adjusting the carrier mobilities. When the change of electron density in the transport process and the vibration are both strong at the same area in the system, the vibronic coupling density is large. It is crucial for elucidating the relative magnitude of carrier mobilities for holes and electrons in graphene nanoribbons, and can provide us structural solutions for improving the performance of the electronic devices.

电子器件的载流子迁移率和载流子类型直接影响其速度和性质，石墨烯纳米带具有非零的带隔和高的载流子迁移率因而可能成为新型高性能电子器件。在电极连接的石墨烯纳米带电子器件中，空穴和电子本征载流子迁移率的相对大小对于实际器件设计成p型或者n型以及器件的操作都是十分重要的。本项目基于形变势理论和非平衡态格林函数方法分别研究石墨烯纳米带宏观材料和微观电子器件两种尺度下的载流子迁移率，探究边缘不光滑、边缘氢原子以及声子对体系性能的影响。通过晶体轨道分析，得出结构上的变化对体系载流子有效质量和形变势的影响趋势，进而提出调节载流子迁移率大小的方法。从电声耦合密度的概念出发，通过直观的图形分析电子传输过程中体系各部分电子密度的变化与声子模式的匹配程度，提出调节电声耦合强度的手段，最终阐明石墨烯纳米带电子器件中空穴和电子迁移率的相对大小，并为提高其性能提供结构上的途径。

石墨烯具有超高的载流子迁移率，因而可以应用于高速电子器件，其零带隔的缺点可以通过一维限制来解决。然而通过自上而下的方法获得的石墨烯纳米带具有缺陷，其载流子迁移率急剧下降。从理论上研究石墨烯纳米带载流子迁移率的影响因素是十分必要的。随着科学研究的发展，越来越多的石墨烯类似物被发现，如石墨二炔、聚联苯烯、硅烯和磷烯，研究这些结构的纳米带的性质对于石墨烯纳米带的应用是一个有益的补充。本项目基于形变势理论，利用密度泛函理论阐述了氧化造成石墨烯纳米带载流子迁移率下降的原因，提出了边缘有致活基团取代时可以提高其载流子迁移率的可能。基于非平衡态格林函数方法，获得了铜电极连接的石墨烯纳米带具有一定的开关特性。本项目发现石墨二炔、石墨炔和聚联苯烯纳米带具有优于石墨烯纳米带的特性，如比石墨烯纳米带更高的空穴和电子迁移率、负差分电阻和高的开关比。特别指出的是可以通过控制6,6,18石墨二炔纳米带的方向来决定其载流子是p型还是n型，且其空穴和电子迁移率高达2.0×10^5和1.8×10^6 cm2V-1s-1。本项目还研究了硅烯纳米带、多层硅纳米带和磷烯纳米带，它们的载流子迁移率与传统硅材料相近。本项目研究表明这些一维纳米带可以作为新型的纳米尺寸高速电子器件，特别是6,6,18石墨二炔纳米带可以作为超高速互补电路的一个候选者。