C/SiC纳米管异质结和量子点的界面结构及电子特性的理论研究

本申请拟从量子力学第一性原理出发，结合分子动力学模拟、化学反应过渡态理论和非平衡格林函数等理论方法，研究硅原子与碳纳米管反应在单壁碳纳米管上形成碳纳米管/碳化硅纳米管（CNT/SiCNT）异质结和CNT/SiCNT/CNT量子点结构的微观过程，分析纳米管的结构和尺寸效应对异质结的结区电子结构和量子点的电子结构及电子输运特性的影响,从理论上揭示: (1) CNT/SiCNT异质结和CNT/SiCNT/CNT 量子点形成的微观机制;(2)碳纳米管的手性对 CNT/SiCNT异质结的结区电子结构及电荷输运特性的调控规律；(3) 碳化硅纳米管片段的手性和长度对CNT/SiCNT/CNT 量子点的电子结构和电荷特性的调控规律。为碳纳米管在纳米整流、光电转换、量子计算以及自旋调控等领域的应用提供理论依据。

在项目的执行期间，课题组按照《项目计划书》的目标展开了系统的理论研究，取得的主要研究结果包括： (1) 从量子力学第一性原理计算出发，发展了一套计算纳米异质结构的界面电子结构（如: 能带带阶、内建电场和界面电子态等）的理论方法，将该方法应用于研究 C/SiC, C/BN和GaN/ZnO等纳米异质结构，得到了与实验相符合的计算结果并且预言了一系列新的特性。(2) 揭示了Si原子在碳纳米管表面的扩散以及与碳纳米管反应形成C/SiC 纳米结构的微观机制，提出了硅原子替代碳原子的 “kick-out” 反应机制, 并从理论上估算了Si原子扩散和反应的能量势垒, 同时对C/SiC 纳米异质结的界面结构和稳定性进行了理论模拟，研究了界面晶格失配对界面稳定性的影响。(3) 揭示了碳纳米管的手性、界面结构等因素对界面电子结构的调控规律，研究了半导体/半导体、半导体/金属C/SiC的界面得电子结构， 特别是关于SiC 量子点自旋极化的理论预言为C/SiC 纳米异质结构在自旋电子学领域的提供了新的途径。. 在该项目的资助下，课题组在 在《Advanced Materials》， 《Applied Physics Letter》，和《Journal of Physical Physics》等SCI 收录的期刊上发表论文 21 篇，获得教育部高等学校优秀科研成果自然科学奖二等奖一项， 培养博士研究生4名、硕士研究生3名，主办学术会议1次，在国内外学术会议上做邀请报告 8 次。