论文摘要
本文首先对碳纳米管和碳化硅纳米管的研究进展进行了较全面的论述,包括其制备、纯化以及应用等,其中较深入的论述碳纳米管的布里渊区及其电学性质相关的应用。接下来对在纳米材料电子结构以及纳米器件输运特性研究中取得较满意结果的密度泛函理论和非平衡格林函数法进行了详细的描述。采用该方法对碳纳米管和碳化硅纳米管的电子结构和输运特性进行了较深入的研究。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对本征和掺杂（8, 0）碳纳米管的结构和电子结构进行了计算。本征（8, 0）碳纳米管的计算结果表明它是典型的直接带隙半导体,其能带间隙为0.46 eV。掺杂碳纳米管拥有与本征纳米管不同的性质,也有更广泛的应用前景,为此分别计算了掺氮和掺硼碳纳米管的电子结构。掺杂的氮原子与其相邻的碳原子形成的氮碳键的键长与本征纳米管对应的碳碳键相比有所增加,这种趋势会随着掺杂浓度的增大而变的更加明显,这与实验制备的掺氮碳纳米管呈现竹节状是一致的。掺杂的氮原子与碳原子相比多出了一个电子,从分子的最高占据轨道可以看出,多出的电子主要分布在氮原子及其相邻的碳原子上。这增加了电子在不同原子间转移的可能性,使得碳纳米管能带间隙有所减小。掺硼碳纳米管结构的变化与掺氮呈现了相同的趋势,掺杂原子所在的碳环的半径有所增大。掺杂的硼原子少出了一个电子,在掺杂原子附近形成了明显的空穴,碳纳米管的能带间隙也有所增大。采用结合密度泛函理论的非平衡格林函数法,对孤立（8, 0）碳纳米管和耦合于金电极的（8, 0）碳纳米管的输运特性进行了计算。从孤立碳纳米管的平衡态（未施加偏压）透射谱可以看出它是半导体型的,这与前面的计算是一致的。其透射谱呈现了明显的台阶状;其伏安特性可以看出当偏压小于1.2 V时几乎没有电流流过纳米管,而大于该偏压时是接近指数关系的。在碳纳米管应用中,通常要与金属电极相连接,为此计算了耦合于金电极的（8, 0）碳纳米管的输运特性,在计算的过程中考虑了长度对输运特性的影响。其结果表明随着长度的增加碳纳米管由金属型转化为半导体型。在金电极与碳纳米管形成接触时,由于功函数的不同,电子会在碳纳米管和电极之间转移,其结果是形成了较明显的带隙态。在长度较短时,带隙态在输运特性中起了重要的作用,但是其影响会随着长度的增长而削弱。这解释了为什么当前实验未观测到带隙态的原因。采用与研究碳纳米管电子结构相同的方法,计算了本征和掺杂（8, 0）碳化硅纳米管的电子结构。本征碳化硅纳米管的结构优化的结果显示碳环的半径要略大于硅环的半径,其电子结构显示,（8, 0）碳化硅纳米管的能带间隙为0.94 eV要大于（8, 0）碳纳米管的,这是由于碳化硅纳米管中碳硅键为含有离子键成分共价键的结果。氮原子与硼原子是碳化硅体材料的常用掺杂原子,在计算掺杂碳化硅纳米管电子结构的过程中仍然选择它们为杂质。在替位掺杂的过程中,参考体碳化硅材料掺杂的结果,氮原子取代碳原子所在的晶格。掺氮碳化硅纳米管结构优化的结果显示一氮掺杂碳化硅纳米管中氮原子与相邻的硅原子形成氮硅键的键长有较明显的减小,而二氮掺杂结构优化的结果表明氮原子倾向占据相邻碳环中位置最接近的碳晶格所在的位置并且在纳米管的表面形成明显的突起。氮原子与碳原子相比多出的电子主要分布在相邻的硅原子上。掺氮碳化硅纳米管的能带间隙会减小。掺硼碳化硅纳米管的几何结构优化的结果显示其所在硅环的半径会减小,从掺硼碳化硅纳米管的最高占据轨道可以看出,在硼原子附近电子出现的概率明显降低,形成明显的空穴态,限制了电子在不同原子间的转移,导致了能带间隙的增大。本文还计算了孤立和耦合于金电极的（7, 0）碳化硅纳米管的输运特性。孤立（7, 0）碳化硅纳米管的透射谱显示碳化硅纳米管为半导体型的,从其伏安特性可以看出电流发生明显变化的偏压为2.2V,要大于碳纳米管的。对耦合于金电极（7, 0）碳化硅纳米管的研究发现,电荷转移导致了带隙态的形成,它们使得透射谱在费米能级附近不为0,其伏安特性在较小偏压下为线性;当偏压在+1.4 V到+1.6V之间,电流随偏压的增大呈现了下降的趋势,这就是微分负阻效应。从不同偏压下系统的透射谱可以看出,偏压导致的传输特性的变化是微分负阻效应产生的原因。