基于第一原理的多端纳米电子器件输运研究方法的发展与应用

与非平衡格林函数结合的密度泛函方法是当前理论上研究纳米（分子）电子器件输运性质最主要的方法，但目前已经发展成熟的方法和相关程序仅对具有 "电极+中心散射区+电极"这样的两端器件的平衡和非平衡输运性质提供了一种有效的研究手段，尚不能处理复杂结构（这里我们主要指多端结构）电子器件的输运问题。然而，对多端器件输运行为的研究同样非常重要，主要因为：1. 多端器件中蕴含了两端器件所不能表现出来的更为丰富的物理现象与性质；2. 多端器件（如场效应管）同样是电路中非常重要的组成元件。本课题的目的就是要发展能研究多端电子器件非平衡输运性质的第一性原理方法和程序，实现在非平衡情形下，求得任意两端之间的电流电压特性，并将所发展的程序应用于多端器件的模拟与设计。

本项目的目标是发展具有多端结构的纳米电子器件电荷输运的第一性原理计算程序，实现任意两端间透射函数和I-V曲线的计算，并将其应用到具体器件电荷输运的计算中。通过三年的研究，本项目很好的完成了预定的任务，在以下两个方面取得了重要成果：.一、程序发展：（1）实现了任意两端之间透射函数的计算，测试结果很好；（2）实现了如何在非平衡情形下各端加偏压，采用求解Laplace方程的方法得到空间各点电势的初始平滑降落；（3）编写了Poisson方程的多重网格计算程序及并行化，并将其植入输运程序当中，所得结果和用快速傅立叶变换方法的结果符合很好；（4）基于J. Phys. F: Met. Phys. 14, 1205(1984)中算法编写了自能计算程序；（5）实现了非平衡下密度矩阵的计算；（6）实现了非平衡情形下的任意两端间的电流的计算；（7）编写了PDOS计算和密立根布局数分析、任意K点电荷密度计算与可视化、以及紧束缚输运计算等程序。.二、程序应用：（1）石墨烯纳米带电子结构和输运性能的研究与调控；（2）基于C60分子的符合纳米器件的设计与调控；（3）单分子磁体输运性质的研究；（4）纳米碳管中BN杂质对输运性质的影响以及具有不同孔径的纳米碳管异质结中的输运性质及对外界杂质和气体分子的依赖。获得了具有自主知识产权的多端输运计算软件一套；累计共发表受项目资助的论文23篇，其中影响因子在3.0以上的有12篇，比较有影响力的论文包括Phys. Rev. Lett.一篇，Phys. Rev. B（Rapid Communication）一篇，还有一篇发表在Appl. Phys. Lett.的关于石墨烯莫比乌斯结构的论文专门被Nature Publishing Group (NPG) asia materials作为亮点进行报道。