功能化石墨烯相关元器件的理论设计及机理研究

Nano-scale functional devices based on the molecular-and nano-material are inaugurating a new era for the electronic development. In the past decades, however, electronic devices designed depending on organic molecules have been in a low-performance dilemma.In recent few years, The large-scale fabrication of the graphene nano-material and its effective functionalization have provided a new opportunity for a leap of molecular-and nano-electronic devices. Directing at existing qustions in the current studies, this program tries to make great efforts to explore theoretically the new paths for the graphene functionalization in order to develop new high-performance graphene-based electrical and magnetic components. The main studying contents include: high polarized spin effects and filter characteristics, high-performance rectification effects, three-terminal device properties, and so on. The principal features for our study is in attempt to find functionalized novel structures which can enhance component properties, and highlighing spin polarization in all studying contents to develop new componets in spintronics. Emphasizing an analysis on mechanism and crucial modulation factors tries to explore general laws. Meanwhile, we also fully takes account the impact of the electrodes and the actual existence of electron - phonon coupling effects in a functionalized graphene (the polaron transport issues) in attempt to greatly develop related theories, build more effective simulating tools as well as device models. The obtained results will provide structural models, a important theoretical reference, and new ideas for a actual fabrication of graphene-based electronic devices.

以分子及纳米材料为基础的功能元器件正开创电子学发展的新纪元。然而，在过去的几十年里，有机分子电子器件的研究一直未能走出"低性能"的困境。近几年来，石墨烯纳米材料的大规模制备及有效功能化，为分子纳米器件的跨越式发展提供了新的契机。本项目针对目前研究中存在的问题，着力从理论上探索石墨烯功能化的新途径，以发展高性能的电学及磁学元器件。主要研究内容包括：高极化自旋磁效应及过滤器特性研究；高性能整流及三极管效应元器件的设计及机理分析，等。主要研究特色是：通过模拟分析重在发现能提升元器件性质的新型纳米结构，并突出自旋极化效应这一研究主线，以发展自旋电子学新器件；注重机理及调控因素的分析，以发现一般规律；充分计入电极影响及功能化石墨烯中实际存在的电子-声子耦合效应（极化子输运问题），以发展相关理论，构建更准确有效的模拟工具及元器件模型。本研究将为实际制备石墨烯电子器件提供结构模型、理论参考及新的思路。

近几年来，石墨烯材料的成功制备及有效功能化，为分子纳米器件的跨越式发展提供了新的契机。本项目针对目前研究中存在的问题，着力从理论上探索石墨烯功能化的新途径，以发展高性能电子元器件。研究方法采用的是基于非平衡态Green函数与密度泛函理论的第一原理计算，并充分计入电极影响。研究内容包括：电子自旋极化及过滤器特性；高性能整流效应元器件的设计及机理分析；三极管效应元器件的设计及机理分析，等。对电子自旋极化及过滤器特性研究，我们主要集中在对各种实验可能边形的墨烯纳米带（GNRs）在其边缘用P原子进行修饰的磁序；扶手椅型GNRs的边缘进行Mn及F2 共修饰的高性能半金属特性（half-metal）；锯齿三角形石墨烯与碳链构成的全碳复合结构的半金属特性的碳链原子个数的偶奇依赖性；锯齿三角形石墨烯的B原子内部掺杂及Cu, Co, O 或 B原子边缘钝化对磁序的调控；线缺陷对锯齿GNRs的自旋极化的调控效应；同时还研究了对称及非对称H 饱和锯齿GNRs自旋极化及自旋过滤特性；n-型掺杂锯齿GNRs边接触依赖性的自旋过滤特性；基于锯齿GNRs的双自旋半导体的设计；五角石墨烯的自旋极化；5-6-7角石墨烯的自旋极化，等。对高性能整流效应的研究，我们主要集中在苯环桥接硼及氮周期性替代掺杂扶手椅型GNRs作为左右电极的分子器件的整流特性（整流比10^9-10^11数量级）；锯齿三角形石墨烯做为芯分子连接到锯齿GNRs电极上双自旋整流特性；GNRs的多晶异质结的自旋整流；F2-AGNR-Mn-H2异质结自旋整流（整流比可达10^8）；氟原子饱合的“圣诞树”型石墨烯纳米带的自旋整流效应（整流比可达10^10）；等。而对三极管效应元器件的研究，我们主要集中在锯齿型石墨烯环的场效应管；5-6-7元环石墨烯纳米带的场效应；五角石墨烯纳米带的场效应，等。这些研究注重机理分析，力图建立“功能化新结构—电子结构—元器件性质”三者之间的紧密联系，以发现一般规律，为实际制备提供新的思路和理论参考。