寄生量子尺寸效应对纳米及分子器件影响研究

We think that, besides parasitic resistance and capacitance,the nano-scale and molecular device has new parasitic effect (we call parasitic quantum size effect). As we known the quantum size effect is harmful for the tranditional Si-based semiconductor transistor which using "top-down" technical route. But we think that the parasitic quantum size effect is some extent helpful for nano-scale and molecular devices which using "bottom-up" technical route and can improve their performance and decrease their power depletion. We will using the first-principles method which combining the nonequilibrium Green'function and density functional theory to study the helpful parasitic quantum size effect （our researches focus on that how the localization of the density of energy states improve the performance and decrease the power depletion in the nano-scale or molecular scale）of the nano-scale and molecular devices. We also study how to enhance helpful and weak the harmful parasitic quantum size effect.

本项目认为纳米和分子器件会寄生出除寄生电阻、寄生电容外新的寄生效应（我们称之为寄生量子尺寸效应）。大家知道量子尺寸效应对于采用“自上而下”技术路线的传统硅基半导体晶体管是有害的。但本项目认为寄生量子尺寸效应但对于采用“至下而上”技术路线的纳米及分子器件来说不全是有害的，某种程度上反而是有利的,能够增强器件的性能以及降低器件的功耗。本项目将采用基于非平衡态格林函数结合密度泛函方法，着重研究纳米及分子器件中有利的寄生量子尺寸效应(重点研究纳米及分子尺度下能态密度局域化这个量子尺寸效应怎样增强纳米器件的性能和降低其功耗功耗)，以及怎样增强有利的和减弱有害的寄生量子尺寸效应。

我们构建了两种纳米尺度的电子器件，一种是丙烷基通过五碳环的方式连接在左右两个扶手椅型碳纳米管上，另一种是戊烷基连接在左右两个封闭的扶手椅型碳纳米管的“帽子”上。我们对它们的电子输运性质进行了基于非平衡态格林函数结合密度泛函理论方法的第一性原理研究。我们得到了纳米器件中“接触透明”（“接触透明”实际上是在σ势垒两边产生了费米面附近的局域化的能态，这是一种寄生量子尺寸效应）的性质且此性质能感应出低偏置电压下的负微分电阻效应（所谓负微分电阻效应就是在某段电压范围内电流随电压的升高反而减小的效应），这可能在将来低功耗、高性能的纳米电子学器件中有着潜在的应用前景。两种相互竞争的机制可以解释为什么费米面附近的局域化的能态能够在纳米器件中感应出低压负微分电阻效应。一方面，随着偏置电压的升高，输运窗口会增大，这会增加电流。另一方面，随着偏置电压的升高，σ势垒两边的费米面附近的局域化的能态在能量表象发生错配，这会减小透射系数进而减小电流。在电流峰之前，第一种机制战胜第二种机制，导致电流增大。在电流峰和电流谷之间，第二种机制战胜第一种机制，导致电流增减小。电流谷之后，新的透射通道进入输运窗口，导致电流重新增加。