硅纳米管及化学修饰和缺陷结构电子输运性能的密度泛函研究

Silicon nanotubes(SiNTs) are the main research goal in this project. The electron transport capability and mechanism in SiNTs are investigated using density functional theory with Laudauer-Buttiker scattering wave and non-equilibrium Green function. Two semi-infinite electrodes and the silicon tube connected to constitute nanoscale open systems(devices), and then bias-voltage is introduced on the electrodes. By this method, the relationship between quantum transport properties and electronic structures of SiNTs can be achieved. With the help of bias-voltage, we simulate current-voltage character, density of states, electron excitation spectra of SiTNs and so on. The main contribution factors in determining transport properties of SiNTs will be discovered, by analysing molecular orbitals, Bloch States, molecular vibrational modes, electron density, scattering state and so on. .The electron transport property of single-walled silicon nanotubes (SWSiNTs), with representive sp2- and sp3-hybridized structures in different chirality and diameter, will be studied first to exploring the potential candidate basic structures. Many other common conditions, such as chemical modifications in the structure, defect and topology structures, doping effects by p-/n-type and transition metals with different spin states, will be simulated to demonstrate the practical applications of SiNTs as electron transport material. Moreover, multi-walled sp2-hybridized SiNTs, silicon nanowire, and another SiNTs in cubic crystal structure with central defect will also be invesitigated.

本项目以硅纳米管为研究目标,利用密度泛函理论借助Laudauer-Buttiker散射波函数和非本征态格林函数方法等探讨硅管的电子输运性质及其输运机理。采用两个半无限电极与硅管相连构成纳米尺度的开放系统(器件)的模型等，将量子输运性质的研究与计算硅管的电子结构相结合，并在电极上引入偏压以获得纳米硅管开放体系的电流-电压性质、态密度、激发光谱等。并通过对具有重要贡献的分子轨道和Bloch态、分子振动模式、电子密度、散射态等分析获得决定输运性质的重要因素。.研究以具有代表性的不同手性和直径的sp2和sp3杂化的硅管为基本结构，获得具有优秀输运潜质的单壁硅管结构。在所获得的结构基础上，模拟常见化学修饰、缺陷程度和多种掺杂条件等因素对传输性质的影响，从而详细阐述实际应用中硅纳米管作为电子输运材料的价值。同时开展嵌套的多壁sp2杂化硅管结构、硅纳米线及其中心缺陷后形成的硅管结构的电子输运性质。

本项目以硅纳米管和硅石墨烯为研究目标,利用密度泛函理论借助Laudauer-Buttiker 散射波函数和非本征态格林函数方法等探讨两者作为电子输运器件的性质及其输运机理。并采用两个半无限电极与硅管相连构成纳米尺度的开放系统(器件)。理论研究表明二者都具有优于碳对等结构的良好性能。将量子输运性质的研究与电子结构分析相结合，并分析偏压下开放体系的电流-电压性质、态密度、激发光谱等数据变化，并进行了细致分析。.对于椅式硅石墨烯在扭曲下电子输运性质的研究表明，其电子输运性质对扭曲角度并不敏感。电子投射系数在扭曲角度达120度扭曲角对比未扭曲前其仅下降22%，并且透射系数仍保持原来的线性关系。对之式和椅式硅纳米管研究表明，他们的电子输运耐受偏压最高皆可达2V，为碳纳米管的2倍。而且其电子透射系数也同样为碳纳米管的2倍左右，并且保持良好的线性关系。硅石墨烯和硅纳米管具有良好电子输运性能的优势来源于硅sp2杂化中3s和3p电子较高的轨道能，及相应轨道能对应的高DOS。并且硅3p电子分布具有较大的区域，因此更利于电子输运。.同期利用CASSCF(8,8)方法对3σg和2σu杂化后的C2的新轨道方案进行了精确的计算。结果表明其与传统的双π键分子轨道轨道方案具有完全相同的能量、单电子密度分布特性和振动频率等。同时新方案中主要结构为单态双自由基，权重比传统的双键权重高2.7%。如果按照价键理论，三个主要结构都属于第四重键，权重达到84.7%。从而实现了利用了分子轨道理论对C-C四重键的解释，并阐述了其内在的单态双自由特性是C2分子高反应活性的起源。