不规则二维电子器件的输运特性研究

The first-principles method combining density functional theory and non-equilibrium Green’s function is the most widely used tool in the study of electron transport in nano scale and molecular devices. However, due to the adoption of the traditional computational supercell concept, all the current implementations are strictly limited to devices with regular boundaries in the scattering region. It leads to the fact that the transport problems in a large number of important devices can not be solved by them. Particularly, among them are the two dimensional devices with irregular scattering regions and promising potential for real applications. In order to break this limitation, in this project, we will focus on the development and application of a new first-principles method and code for the study of two dimensional devices with irregular boundaries in the scattering region. As typical applications, the code will be first applied to the study of the following two kinds of problems: (1) The first-principles simulation and interpretation of the rectification and electrical switching effects experimentally observed in Y-shape carbon nanotube devices; (2) The investigation and design of irregular graphene devices with novel functionalities. With the achievements in this project, we will not only provide a powerful tool for study of two dimensional devices with irregular boundaries, but also provide theoretical basis for the design of practical devices with carbon nanotubes, planar organic molecules and layered two dimensional materials.

基于密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的第一性原理方法是当前从理论上研究纳米与分子电子器件电荷输运性质的最为广泛使用的方法，然而现有的输运计算程序由于采用了传统的计算单胞而要求器件具有规则的中心散射区，这导致了一大类重要的器件结构中的输运计算问题被排除在了研究范围之外。特别是，其中包括一类极具应用前景且具有不规则中心散射区的二维电子器件。为了突破这一局限性，本项目将发展新的第一性原理方法和程序，实现中心散射区边界不规则的二维电子器件的输运问题的求解，并首先将程序应用于以下两类典型问题的研究：(1).实验中发现的“Y”型纳米碳管的整流效应和开关效应的模拟与调控；(2).石墨烯不规则器件的探索与设计。这一项目的开展，既能突破以往方法中必须利用传统规则单胞概念的局限，为复杂二维电子器件的研究提供有力的手段，又能为利用纳米碳管和新型二维层状材料等设计符合实际需求的电子器件提供理论基础。

本课题的实施基本上按照原计划进行，获得了如下主要研究成果：（1）发展了第一性原理计算程序用于具有不规则中心区的二维电子器件的输运性质的计算；（2）提出“单边输运”思想在二维材料纳米带（SiC纳米带和化学修饰的石墨烯纳米带）等体系中实现单一自旋输运，使之不依赖于纳米带具体的磁构型，更有利于实际应用；（3）通过构建BN/Graphene/BN垂直异质结构实现石墨烯纳米带的完全自旋极化输运，避免了化学修饰方法导致的反铁磁-铁磁能量差严重下降的问题；（4）在二维电子器件中基于自旋依赖的Seebeck效应实现热致纯自旋流：在SiC纳米带两边通过B-P共掺杂，以及石墨烯纳米带中通过引入BN纳米带片段，两边分别掺入B和N原子以及引入反量子点，在费米能级附近得到了“X”形状的自旋依赖透射函数以及相反的Seebeck系数，从而得到了纯自旋流；（5）二维电子器件中的光学伽伐尼效应研究：在BN/Graphene/BN范德瓦尔斯垂直异质结构中，以及硅烯纳米带和在石墨烯纳米带中通过引入铁磁性反量子点等，利用光学伽伐尼效应得到了完全自旋极化输运和纯自旋流；（6）二维铁电隧道结的隧穿电致电阻效应：分别利用具有面内极化的BiP与石墨烯纳米带，以及具有面外极化的In2Se3构建了全二维材料铁电隧道结，得到了623%和10^8%的隧穿电致电阻比率；（7）基于二维黑磷的独特性质，我们提出了基于少层黑磷的电学调控易失存储器设计方案；（8）电极互成120度夹角的SiC纳米带隧道结的输运特性研究：研究表明了边沿选择性，即两条边沿通道的传输能力是不一样的，位于外侧的通道的传输能力要远远大于里侧的边沿通道。这些研究为实现二维材料在自旋电子器件和存储器件中的应用提供了重要的理论依据。