碳纳米管分子器件中电荷输运及功能性研究

随着扫描隧道显微镜、自组装膜等实验技术的发展，开发具有电光磁等现象的分子器件成为目前的研究热点。碳纳米管由于其纳米尺寸的几何结构和丰富的电子性质，被当作制备分子器件的理想材料受到广泛关注。一方面，研究表明掺杂是改变碳纳米管自身特性的有效途径；另一方面，实验表明，相对于金属材料，碳纳米管更适合作为分子尺度的电极。本项目拟结合密度泛函和非平衡格林函数理论方法，在非平衡条件下研究：（1）掺杂浓度、掺杂构型、掺杂原子、单掺与共掺对碳纳米管电荷输运的影响，探讨构建具有负微分电阻、分子场效应晶体管等功能特性碳纳米管分子器件的途径，给出最优化参数；（2）中间选取具有整流、开关、负微分电阻等效应的功能性分子，以不同结构的碳纳米管作为电极，研究碳纳米管电极的直径、间距、手性、端口型貌、连接方式、连接端基、连接分子数目等因素对电荷输运性质的影响。本研究将为研制和开发碳纳米管分子器件提供理论基础和指导。

因为优良的物理、化学和电学性质，低维碳纳米结构，如碳纳米管、富勒烯、石墨烯以及石墨烯纳米带，在分子电子学研究中引起了广泛关注。在本项目中，我们利用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法，重点研究了掺杂、连接界面、纳米管长度、手性、管间距离和两管相对取向以及缺陷对碳纳米管和碳纳米管/氮化硼纳米管异质结电子输运性质的影响。研究表明，这些因素会强烈影响纳米管体系的电子输运性质；通过合适的调控，一些体系中出现了整流、开关以及负微分电阻现象。在此基础上，我们进一步研究了富勒烯二聚体和石墨烯纳米带基分子器件的电子输运性质。通过掺杂和门电压调控，证明了其在分子电子学和自旋分子电子学中的应用。