磷烯纳米带电子结构的调控及其输运特性的理论研究

Using the first-principles based on density functional theory combined with non-equilibrium green function method, it is exploring the effect mechanism between vacancy defects, dopants, complex defects and the electronic structures,spin and transport properties of phosphorene nanoribbon and its heterostructures. The project is beginning to model according to the experiment's results.Designing the rational models of nanoribbons with different dopants and defects. The electronic structures and transport properties of phosphorene nanoribbons and its heterostructure will be investigated.The research contents mainly including: (1) The effects of the electronic structures and transorpt properties of phosphorene nanoribbons with magnetic atoms(Ni, Co,et al.) and non-magnetic atom(B,N,et al.) doping will be investigated, and it is exploring the mechanism of the heteroatom substitution doping in the phosphorene nanoribbons ; (2) The electronic structures and transport properties of phosphorene nanoribbons with vacancy defects will be investigated, and it is exploring the formation mechanism of vacancy defects of phosphorene nanoribbons, It is establishing the effective parameter's modulation system between the defective configurations and the properties of phosphorene nanoribbons; (3) The electronic structures and transport properties of phosphorene nanoribbons with complex defects will be investigated; (4) The electronic structures and transport properties of phosphorene nanoribbons heterostructures will be investigated, and it is exploring the van der waals interation between the layers. It will supply the theoretical references for the design and application of electronics based on phosphorene nanoribbon.

本课题采用基于密度泛函理论的第一性原理结合非平衡格林函数方法，探索空位缺陷、杂质和复合缺陷对单层磷烯纳米带及其异质结的稳定性、电子结构及输运特性的影响机制。课题拟从实验验证的模型出发，通过合理设计含有不同杂质和缺陷的纳米带模型，实现对单层磷烯纳米带及其异质结的电子结构和输运性能等的研究。研究内容主要包括：(1)研究磁性原子(钴、镍等)和非磁性原子（硼、氮等）掺杂对磷烯纳米带电子结构及输运性能等的影响，并揭示异质原子在单层磷烯纳米带中的取代掺杂机理；(2)研究含空位缺陷的磷烯纳米带的电子结构及输运特性，探讨磷烯纳米带中空位缺陷的形成机制，并确立缺陷结构与单层磷烯纳米带性能之间有效的参数控制体系；(3)研究含复合缺陷的磷烯纳米带的电子结构及输运特性；(4)研究磷烯纳米带异质结的电子结构及输运特性，探讨层与层之间的范德瓦尔斯作用。为基于磷烯纳米带电子器件的设计与应用提供理论参考。

由于磷烯具有稳定的蜂窝状褶皱结构、良好的电子迁移率及直接能隙等特性，系统地研究缺陷和杂质对磷烯纳米带及其异质结的稳定性、电子结构及输运特性的影响机制，这对基于磷烯及其异质结电子器件的设计与应用具有重要的参考价值。本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理结合非平衡格林函数方法，主要研究内容包括：（1）通过对不同类型的小分子气体吸附在双层磷烯上的模型研究发现：在吸附模型中CO,NH3,NO,和O2表现出施主特性，而H2O,H2和NO2表现出受主特性，另外，NO,O2,和NO2的吸附模型呈现了磁性，而其他的模型没有呈现磁性，CO和H2O吸附双层磷烯纳米带体系的能隙能够通过施加外场进行调控。并且对碳掺杂锯齿型磷烯纳米带吸附不同气体分子进行了探索，结果表明碳掺杂磷烯纳米带对氮基气体分子具有选择性，且有利于氢存储，这为单层和双层磷烯在气体分子传感器机理方面的研究提供了理论参考；（2）通过对不同宽度的边缘氧原子钝化磷烯纳米带的电子结构和输运性能研究，研究发现：对于扶手椅型（A型）磷烯纳米带而言，纳米带带宽可以调控体系的带隙,然而对于锯齿型（Z型）磷烯纳米带，带隙随着宽度的增加突然减小，呈现出由半导体特性向金属特性的转变。对于A型和Z型磷烯纳米带均呈现了负微分电阻效应，这意味着磷烯纳米带在制作纳米电子器件方面有很大的潜力；（3）设计了磷烯和硼烯异质结，并调整其层间高度。计算结果表明，通过调整层间高度，可以实现对异质结带隙的调控。并对Z型硼烯纳米带、Z型磷烯纳米带和异质结的输运性质进行了研究，硼烯纳米带展现出来良好的整流效应。以异质结为电极，呈现了良好的输运性能，同时层间高度对异质结的输运性能也有调节作用。通过本项目的研究可以为磷烯纳米带及其异质结的实验研究提供理论分析，并为基于磷烯及其异质结电子器件的设计与应用提供理论参考。