基于石墨烯的功能分子器件的理论设计

随着科学技术的不断发展和电子器件的小型化，以硅为主的半导体材料及其传统集成电路的设计已不能满足要求，石墨烯的出现给纳米电子学的发展带来了诱人的前景。本项目以石墨烯为研究对象，着眼于研究前沿，深入探讨石墨烯的电学性质及器件功能。主要研究内容包括：缺陷、掺杂石墨烯电子结构特性；石墨烯整流器、石墨烯开关及石墨烯自旋过滤器的电子输运特性；金属电极与石墨烯的耦合模拟；等，并充分考虑不同金属电极、石墨烯化学修饰、门电压对石墨烯能级的调节作用。研究方法采用密度泛函理论及非平衡态格林函数输运理论计算体系的电子结构及输运特性，并运用分子轨道理论、杂化轨道理论和自旋轨道理论进一步分析其输运本质。本项目力图构建基于石墨烯的整流、开关和自旋过滤等功能分子器件的理论模型，为实验应用研究提供系统的结构模型、物理原理和性能参数。

电子学技术未来的发展，将以“更小，更快，更冷”为目标。“更小”是进一步提高芯片的集成度，“更快”是实现更高的信息运算和处理速度，而“更冷”则是进一步降低芯片的功耗。随着现代科技的飞速发展和电子器件微小化进程的不断加速，传统的微电子学已逐渐进入纳米领域，微电子器件必将过渡到纳米电子器件。石墨烯具有结构稳定、电子迁移率高、且易于制备、裁剪和操纵等特点，适合作为新型纳米器件材料。本项目以石墨烯为研究对象，深入探讨石墨烯的电子结构，器件功能及性能优化。主要研究内容包括：石墨烯的边缘改性研究；掺杂效应的研究；吸附效应的研究；扭曲形变的研究，缺陷效应研究，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，旨在构建基于石墨烯的整流、开关和自旋过滤等功能分子器件的理论模型，为实验应用研究提供系统的结构模型、物理原理和性能参数。本项目重点对锯齿形石墨烯纳米带的边缘改性进行了深入研究（纳米带的两个边缘分别用单氢和双氢饱和），发现其具有双极化自旋半导体特征，并且基态为铁磁性，调节电极的自旋构型，器件自旋过滤效率能达到100%；将单氢饱和和双单氢饱和的石墨烯耦合成异质结，改变石墨烯的宽度，发现所有的体系均表现出双自旋过滤效应。进一步发现单氢和双氢边缘的电子输运性能也不同，双氢边缘比单氢边缘具有更好的电子透射性能。我们进一步调查了碳链连接在上述石墨烯电极的电子和自旋输运特性，考虑了两电极在相同或者相反自旋构型的情况，但是只有相反的自旋构型下器件才具有自旋过滤效应。用单氢饱和石墨烯取代其中一个电极，分子器件在两种自旋构型下均表现出自旋过滤效应；但是碳链与石墨烯的连接方式对器件的影响也很大，特别是当碳链末端与石墨烯苯环上的两个相邻碳原子连接时，器件表现出1000000%的磁阻效应。