基于MS2(M=Mo,W)纳米结构的纳米电子器件的模拟与设计

Transition-metal dichalcogenide nanostructures MS2(M=Mo,W) (i.e., graphene-like nanoribbon and nanotube), which could have a series of novel properties better than graphene nanoribbons and carbon nanotubes, have become one of the hot research topics, and have high applicable potential in nano-electronic device fields. In this project, the density function theory and non-equilibrium Green’s function theory would be used to systematically investigate the electronic and magnetic structures, as well as the electronic (spin) transport properties of transition-metal dichalcogenide nanostructures MS2(M=Mo, W). Some factors influencing the electronic and magnetic structures, as well as the electronic (spin) transport properties of armchair and zigzag transition-metal dichalcogenide MS2(M=Mo, W) nanoribbons and nanotubes would be discussed, e.g., defect, doping, edge structures, dangling bond, hydrogenation, and adsorbing gas molecules, etc. Based on these methods, the electrical properties of transition-metal dichalcogenide nanostructures MS2(M=Mo, W) nano-devices would be designed and adjusted, in order to show some novel functional properties, e.g., negative differential resistance, rectifying, switching, gas sensor, field effect transistor, spin filtering, etc., which are expected to be used in the future nano-electronic device fields.

过渡金属硫化物MS2(M=Mo,W)类石墨烯纳米带和纳米管可能具有诸多优于石墨烯纳米带和碳纳米管的奇特性质,已成为当今研究热点之一，在纳米电子器件领域具有潜在应用前景。本项目拟采用密度泛函理论和非平衡格林函数量子输运理论，系统探究过渡金属硫化物MS2(M=Mo,W)类石墨烯纳米带和纳米管的电子结构、磁性结构以及电子(自旋)输运特性。分别讨论缺陷、掺杂、边缘结构裁剪、悬挂键、加氢饱和、吸附气体分子等方法对扶手椅型和锯齿型两类过渡金属硫化物MS2(M=Mo,W)的电子结构、磁性结构和电子(自旋)输运性质的影响。并据此设计或调控过渡金属硫化物MS2(M=Mo,W)电子器件的电学特性，使其表现出如负微分电阻特性、整流效应、开关效应、气体传感器效应、场效应晶体管效应、自旋过滤效应等功能特性，以期在将来的纳米电子器件领域发挥潜在应用。

过渡金属硫化物MS2(M=Mo,W)纳米结构已成为研究热点之一，在纳米电子器件领域具有潜在应用前景。我们采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，研究了基于过渡金属硫化物纳米结的电子结构和电子输运性质，探究了调控其电子输运性质和器件性能的方法，并设计了一些基于过渡金属硫化物纳米带的器件模型。1）锯齿型过渡金属硫化物MS2(M=Mo,W)纳米带的能带结构表现出金属性，其电流-电压曲线表现出有趣的负微分电阻作用，且与纳米带带宽变化关系不明显，电子主要沿着纳米带的Mo/W边缘传输，并且存在两种局域电流通道，即Mo/W→Mo/W 跃迁电流和S−Mo/W−S键电流，过渡金属硫化物纳米带可以成为负微分电阻器件的候选材料。2）我们进一步探究了调控过渡金属硫化物纳米结构电子输运性质的方法。原子空位缺陷对其电子输运性质具有一定调节作用，且与原子空位缺陷位置存在明显的依赖关系。缺陷可以调控出现电流峰值时的电压，和电流-电压曲线的峰-谷比，丰富了过渡金属硫化物在负微分电阻器件方面的潜在应用价值。3) 我们及时跟踪了关于纳米异质结的最新研究热点，增加了关于过渡金属硫化物异质结(即MoS2-WS2侧面异质结)的结构设计和性能调控相关工作。 我们设计了多种MoS2-WS2侧面异质结结构，这些异质结表现出相似的透射谱曲线和电流-电压特性，且均表现出负微分电阻作用，通过这些异质结的电流主要沿着金属边缘，而不沿着硫边缘，纳米带的带宽以及硫边缘附近的金属空位缺陷对这些异质结的电子输运性质影响不大。我们建议了这些基于过渡金属硫化物侧面异质结的负微分电阻器件模型，对于实验上制备这些异质结器件具有重要的基础理论价值和指导意义。