氮掺杂对单壁碳纳米管的非平衡电子输运特性的影响 effects of nitrogen substitutional doping on the nonequilibrium electronic transportation of single wall carbon nanotubes.pdfVIP

第28卷第8期 半导体学报 V01．28NO8 2007年8月 CHINESEJOURNALOFSEMlCoNDUCTORS Aug．+2007 氮掺杂对单壁碳纳米管的非平衡电子 输运特性的影响” 韦建卫 胡慧芳+ 曾 晖 王志勇 王 磊 张丽娟 (湖南太学物理与微电子科学学院，长沙410082) 摘要：利用结合了非平衡格林函数的第一性原理的局域密度泛函理论，研究了氨原子取代掺杂单壁碳纳米管的输 运特性．计算结果表明．不同构形和不同数目的氮原子掺杂对(8，O)单壁碳管的输运性能有复杂的影响研究发 现，氮原子的掺杂提高了半导体型碳管的输运性能，电流一电压曲线呈非线性变化．对于浓度相同的氮掺杂，原胞内 最近邻氮原子间距极大地影响了碳管的输运性能因此，基于掺杂管的分子器件的设计中很有必要考虑这些因素 关键词：单壁碳纳米管；氮掺杂；输运特性 PACC：7125X；3320 中图分类号：0469 文献标识码：A 文章编号：0253．4177(2007)08—1216—05 1 引言 2模型和计算方法 碳纳米管(CNTs)作为一种新型的一维纳米材 应用密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数 料，自1991年被Iijima[13发现以来，由于其独特的 电子结构、良好的热稳定性、优异的力学性能和奇异 对象，选取其中4层碳环为一个原胞(如图1(a)所 的电学性能，已成为世界性研究热点之一．碳纳米管 示)，经过结构优化后，分别对其进行不同浓度和不 可分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管同位置的氮原子取代掺杂并予以结构优化．图I(a) 给出了4种不同的掺杂构形中氮原子的位置，(1) (MWCNTs)．SwcNTs可以看作由一层石墨烯卷 曲而成，其结构由卷曲矢量C。=na。+maz描述， 在A格点用氮原子取代一个碳原子，记为A型掺 式中a，和az为单位矢量，n，m是整数．随着卷绕杂；(2)同时取代A和B格点上的碳原子，记为AB 方式的不同，碳纳米管既可以表现为金属性，又可表 型掺杂；(3)同时在A和c格点进行取代掺杂，记 现为半导体性o‘3]．这种奇异特性使其具有广阔的 应用前景“~1“． 杂，记为AD型掺杂．每个掺杂构形分别构建成一个 大量研究表明，对碳纳米管进行掺杂是改变碳 双探针体系““，如图1(b)所示．B表示电极的缓冲 区域，计算中并未直接涉及，L(R)，C分别指左电 管电子输运特性的有效途径[8““．对SWCNTs中 的氮原子掺杂的研究较多．实验上常用的掺杂方法 极区(右电极区)和中心散射区．黑色箭头是指输运 有，取代反应法““，电弧蒸发法和电磁管溅射法“目 方向．其中中心间散射区包括有两个原胞(128个原 等，研究多壁碳纳米管的居多理论上“’5’8“。3大多 子)，而左(右)电极则利用周期边界条件将一个原胞 数都局限于在平衡条件下对各种简单掺杂构形的掺 向左(右)无限延伸．在计算中使用标准的模方守恒 杂研究．但是碳纳米管分子器件多是在偏压情况下 的应用．其中一个非常重要的问题就是不同浓度、不 交换关联泛函，计算使用原子轨道基组，选取截断能 同构形的掺杂原子对于输运性能的影响，这是亟待 为100Ry．在双探针模型中电流-电压的关系为： 解决的问题．为了进一步了解氮原子掺杂构形和掺 ^Cu-一 ，=竽I…dE(^一，，)丁(E)(1) 杂浓度对SWCNTs的电子输运特性的影响，本文对