纳米整流器电子输运分析及理论设计

电子器件的发展，目前正以"更小，更快，更冷"为目标，这意味着Moor定律正走向物理原理及工艺技术的极限。纳米电子学为突破这一极限、并寻求电子学的新发展提供了契机。本研究以在纳米元器件中占有举足轻重地位的纳米整流器为研究对象，着眼于研究前沿，深入探讨其输运性质、设计方法及性能优化。主要研究内容包括：器件内非对称势降的整流性质分析；非对称电极整流性质分析；纳米导体几何构型的不同方向电场非对称响应整流性质分析；复合型纳米导体中两个弱耦合电活性单元P-N结效应的整流性质分析，等，并多方位探寻其性能优化途径。研究方法采用基于非平衡态Green函数与密度泛函理论的第一原理方法，同时充分计入电极的影响、输运电子的非弹性散射效应及相应的非相干电流，以完善和发展相关理论，深入探索纳米整流器输运的内在规律、变化依据及关键调控因素，力图构建低阈电压、高整流比、高工作电流、大整流偏压窗的新型纳米整流器的理论模型。

电子学已经历了真空电子学、固体电子学及以超大规模集成电路为代表的微电子学三个阶段，目前电子器件的发展，正以“更小，更快，更冷”为目标，这意味着Moor定律正走向物理原理及工艺技术的极限，分子纳电子学为突破这一极限、并寻求电子学的新发展提供了契机。本项目以在纳米元器件中占有举足轻重地位的纳米整流器为研究对象，着眼于研究前沿，深入探讨其输运性质、设计方法及性能优化。主要研究内容包括：器件内非对称势降的整流性质分析；非对称电极整流性质分析；纳米导体几何构型的变化的整流性质分析；复合型纳米导体中两个弱耦合电活性单元P-N结效应的整流性质分析，等，并多方位探寻其性能优化途径，内容包括：引入有效边基的优化方法的研究；引入有效端基的优化方法的研究；局部有效掺杂的优化方法的研究；引入合适的配对电极的优化方法的研究，等。研究方法采用基于非平衡态Green函数与密度泛函理论的第一原理方法，并充分计入电极的影响，旨在探索纳米整流器输运特性的变化规律、内在依据及关键调控因素。本项目重点研究了有着类似于P-N结效应的给体-受体型有机分子的整流特性，我们的计算预言简单的给体-受体型有机分子存在新的整流机制—反向整流，整流比约为10左右，这一结论很快被美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）新合成的给体-受体型分子的实验测量所证实。为提高给体-受体型有机分子的整流特性，首先，我们提出给体-受体型有机分子与碳链的新型杂化结构，研究发现其整流比能提升到10**2，且整流的偏压范围也有一定的增大。为进一步提高其整流特性，此后，我们提出给体-受体型有机分子与石墨烯纳米带的新型杂化结构，研究发现对于半导体石墨烯纳米带其整流比能提升到10**3，并随带隙的增大而增大。最近，我们利用周期性掺杂石墨烯纳米带作为电极构建有机分子纳米整流器，研究发现它的整流比可达到10**9-10**12，并保持在大的偏压范围内。