掺锂单壁碳纳米管的传导特性研究

论文摘要

碳纳米管是近几年各国研究的重点,人们寄希望于其优异的物理及化学性质会给电子,材料,能源等领域的研究带来突破性进展和提供新的经济增长点。电子元器件发展趋势是尺寸将会更小,信息处理的速度要更快,同时要求单个器件的功耗要越来越小。可是,当器件尺寸越来越小时,就必须必须考虑量子力学方面的限制,原有的微电子理论失效了,新的理论和新的器件（尤其是分子和纳米器件）也开始出现了,碳纳米管因为其特殊的电子特性有可能起到很重要的作用。因此,对其进行的一些电特性、传导特性的研究是十分有必要的。本论文组织大体如下:第一章:首先介绍了碳纳米管的发现,相关的性质,应用前景等。而传统的以硅为基础的半导体技术面临极大的挑战,也迫使人们去探索一些新的概念、规律和手段以描述日益小型化的电子元器件中的载流子输运。本章在概述了这样的一个发展趋势之后,提出了微电子器件发展的瓶颈,同时对新兴的纳、分子电子器件进行一些大概的产生、发展的介绍。最后对碳纳米管的一些电学特性进行了大概的介绍。第二章:主要是本研究的计算手段的理论基础,主要使用的计算方法是非平衡格林函数方程。在介绍了关于电子输运的一个公式:Lundauer-Büttiker公式后,本章从基本的非平衡格林函数的一些概念如自能矩阵,散射矩阵开始介绍,然后给出对一些细节的计算问题的解决方案,最终按照计算思路提出这次工作的计算流程方案。第三章:首先对基本的碳纳米管进行了几何结构的研究,给出了其生成程序;然后对本研究需要计算的模型进行构建,内容包括探针的构建,器件的构建,接触界面,锂原子的掺入等;最后截取了已选取了的CNT片段做为一个分子进行建模,对其构成的分子的坐标进行确定。第四章:这一章主要展示了对已构建模型的计算的结果和对结果的分析。计算和分析的内容分为三个部分。第一部分是利用第一性的密度泛函方法对截取的CNT的截断分子进行电特性的计算,得出了诸如最高占据能级和最低非占据能级,费米能级,总的能量和电子动能等基本的参数,通过对掺入锂原子和不掺入锂原子两种情况进行分析比较,期望对所建立模型的传导特性获得初步的猜测。第二部分是对计算出的掺锂（7,0）（8,0）（9,0）型碳纳米管的传输几率和能态密度进行分析,同时考虑并研究了电子能量、电子态密度、偏压的存在与变化对其传输特性的影响。发现了诸如拓宽效应、量子台阶效应复苏等结果。第三部分是对三种掺锂的CNT进行计算后得出了I/V曲线,并且对这个计算结果产生的原因,具体的意义进行了比较深入的介绍,I/V曲线是相关材料的分子器件、导线设计的理论基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 碳纳米管综述
• 1.1.1 结构
• 1.1.2 碳纳米管的特性
• 1.1.2.1 力学性能
• 1.1.2.2 电学特性与导电性能
• 1.1.2.3 传热性能
• 1.1.3 碳纳米管的制备
• 1.1.4 碳纳米管的应用前景
• 1.2 纳电子学
• 1.2.1 纳电子器件简介
• 1.2.2 微电子器件的局限
• 1.2.3 纳电子器件的发展途径与基本效应
• 1.2.3.1 发展纳电子器件有两种途径力学性能
• 1.2.3.2 纳电子器件基本效应
• 1.2.4 纳电子器件、分子导体的理论方法
• 1.1.4.1 格林函数方法
• 1.2.4.2 研究进展
• 1.3 碳纳米管电子学
• 1.3.1 石墨平面的电学特性
• 1.3.2 碳纳米管的电特性
• 1.4 本文的内容和意义
• 第二章 理论计算方法
• 2.1 LUNDAUER-BüTTIKER 公式
• 2.2 传输公式，S 矩阵（SCATTING MATRIX），格林函数（GREEN FUNCTION）
• 2.2.1 传输公式与S 矩阵
• 2.2.2 格林函数与S 矩阵
• 2.2.2.1 延迟和超前格林函数
• 2.2.2.2 无限小量η的采用处理
• 2.2.3 Tight-binding 模型
• 2.2.3.1 传输矩阵
• 2.3 非平衡格林函数
• 2.3.1 纠缠和散射矩阵
• 2.3.2 自能和格林函数
• 2.3.3 动能等式
• 2.3.4 自能的计算
• 2.3.4.1 电子-电子相互作用
• 2.3.4.2 电子-声子相互作用
• 2.3.5 总的计算过程归纳
• 第三章 模型建立
• 3.1 碳管模型
• 3.1.1 结构总论
• 3.1.2 zig-zag 型的CNT 结构分析以及生成
• 3.2 传输系统的确定
• 3.2.1 基本传输系统
• 3.2.2 掺入锂原子与最终模型确定
• 3.3 传输分子器件的模型
• 第四章 计算结果与分析
• 4.1 器件分子的单点能计算
• 4.1.1 计算结果
• 4.1.2 结果分析
• 4.2 器件电子传输特性计算
• 4.2.1 电子传输特性结果分析
• 4.2.1.1 纯净CNT 的电子传输特性的计算结果与分析
• 4.2.1.2 掺入Li 原子对纯净CNT 的电子传输特性的影响
• 4.2.1.3 加偏压对电子传输特性和能态密度造成的影响
• 4.2.2 器件电压与电流关系计算结果与分析
• 4.2.2.1 掺Li 后（7,0）、（8,0）、（9,0）型CNT 的V/I 特性
• 4.2.2.2 纯净与掺Li （7,0）、（8,0）、（9,0）型CNT 的V/I 特性比较
• 4.3 结论
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录Ⅰ 开口碳纳米管生成程序
• 附录Ⅱ CNT（7,0）坐标/（A|°）
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文