硼氮掺杂碳纳米管的电子输运性能

邓小清，孙琳，李春先

(长沙理工大学 物理与电子科学学院,湖南 长沙，410114)



硼氮掺杂碳纳米管的电子输运性能

邓小清，孙琳，李春先

(长沙理工大学 物理与电子科学学院,湖南 长沙，410114)

基于密度泛函理论的第一性原理，我们采用碳纳米管做电极，且纳米管一端与半个C60连接，两纳米管之间用烷链连接，构建了电子器件，通过在C60上进行硼氮掺杂，发现器件具有明显的整流效应.进一步研究了不同长度烷链的电子输运性能，发现选择合适的碳链长度，有利于提高器件的整流系数.

纳米管；整流效应；第一性原理方法

目前，纳米技术的主要目标之一是电子设备的小型化，找到合适的材料是了解其纳米尺度上的属性实电子信息材料领域的重要任务，碳基材料一直是人们关注的热点，目前常见的有碳富勒烯[1]、碳纳米管(CNTs)[2]、石墨烯[3]等.基于碳材料分子器件的新功能性质不断被报道，例如整流效应[4]，自旋过滤效应[5]和二极管效应[6]等.本文中我们构建了由烷链，纳米管组成的分子器件，器件的电极采用纳米管，纳米管的一端用半个C60分子进行封闭，两个电极之间通过烷链连接，然后在C60上进行B/N掺杂，计算器件的I-V特特，发现器件具有明显的整流效应.进一步研究了不同长度烷链的电子输运性能，发现选择合适的碳链长度，有利于提高器件的整流系数.

图1 器件模型结构示意图Fig.1 Structure of a molecular device in our simulations.

图2 不同长度烷链模型的电流-电压曲线和整流曲线(a) n=3 和 5，(b) n=7,9,和11.Fig.2 The I-V characteristics and ratio R change with the different length of n-alkane chain models.(a) For n=3 and 5,(b)for n=7,9,and 11.

如图2 (a)和(b)，给出的不同长度的烷链模型的电流-电压曲线和整流曲线，偏压范围从-1.0到1.0V，烷链的长度用n个CH2来描述，(a)图对应n=3和5，(b)图对应n=7，9和11.我们发现5个器件的电流在正负偏压下都是不对称的，负偏压下的电流明显高于正偏压，并且随着烷链长度的增加，电流的数值是逐渐减小的.电流的非对称可以通过整流比R来描述，这里定义为负偏压下的电流与正偏压下电流的比值.比较而言,(CH2)7 模型具有最大的整流效率，在1V电压下，具有最大整流比为204；其次是(CH2)9模型，最大整流比为153，对于 (CH2)3模型,整流效率相对于其他模型都要低，最大整流比只有30，而 (CH2)5 和 (CH2)11模型，最大整流比分别为 113 和136.

图3 五个模型在零偏压下的透射谱Fig.3 The transmission spectra for five models at zero bias

我们计算了五个模型零偏压下的透射谱T(E,V)，如图3所示.本文所有的费米能级设置为0，费米能级以下的第一个透射峰为最高占据分子轨道(HOMO)共振峰，费米能级之上的第一个透射峰为最低未占据分子轨道(LUMO)共振峰.我们可以观察到五个模型中，HOMO 比LUMO更加靠近费米能，也就是说在低偏压下，电子的透射受HOMO峰的影响较大.由于烷链较短时，电子的输运路径短，电子的透射性能也相对强一些，因此我们看到随着烷链的增加，HOMO 与LUMO峰的高度明显降低.比较了(CH2)3～(CH2)11模型(CH2)11，电子的透射非常弱，从而只有微弱的电流.

图4 不同偏压下的透射谱，偏压分别为±0.2,±0.6 和±1.0 V,两虚线之间的区域为偏压窗口.(a) n=3,(b) n=7Fig.4 the transmission spectra of n-alkane chain models at biases of ±0.2,±0.6,and ±1.0 V,respectively,the region bias between two dash lines indicates the bias window.(a)For n=3,(b) for n=7

为了更深入的理解器件电流的非对称性，我们计算了(CH2)3和(CH2)7模型在偏压分别为±0.2,±0.6 和±1.0V下的透射谱，如图4所示，根据landauer-büttiker公式，电流是在偏压区间透射系数的积分面积，可见透射系数和偏压窗口的大小是影响电流大小的两个因素.在能量偏压窗内的主要透射峰值对分子整流的影响起主要作用，展现了正负两个偏区间具有不同的变化趋势，对于(CH2)3模型，随着正向电压的增加，HOMO 峰逐渐向低能方向移动而远离费米能，并且总是位于偏压窗外，尽管高偏压下，LUMO 进入了偏压窗，但是透射系数变得很小，导致正偏压下的电流较小.然而，在负偏压下，随着偏压的增大,HOMO和LUMO峰均向费米能移动，在偏压窗内逐渐合并成一个宽而高的透射峰，因此负偏压下的电子透射很强，导致负偏压下的电流较大.(CH2)7模型，我们也清楚的看到正负偏压下，主要透射峰的移动方向和数值随偏压而变化，负偏压下的透射也是明显强于正偏压.对于(CH2)7模型，偏压为1V和-1V时，我们计算了实空间的透射本征态，如图4(b)的上方所示，比较而言，偏压为-1V时的透射本征态在烷链和电极上均有较大的分布，因此电子能够通过烷链从一个电压传输到另一个电极；而偏压为1V时，本征态的分布非常局域，烷链上几乎没有，导致电子的透射很弱.

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法，研究了由烷链连接于氮或硼原子掺杂的碳纳米管的输运性质.发现随着烷链长度的增加，电子的输运能力明显减弱，但是不同长度的器件均表现出整流效应.

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[6]Z.H Zhang,J.J.Zhang,G.Kwong,et al.All-carbon sp-sp2hybrid structures:Geometrical properties,current rectification,and current amplification[J].Sci.Rep.,2013,3:2575-1-2575-7.

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The electronic transport properties for B/N doped carbon nanotube

DENG Xiaoqing,SUN Lin,LI Chunxian

(School of Physics and Electronic Science,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China)

By using the first-principles method based on the density-functional theory,the electronic transport properties of for the systems consisting of the carbon nanotubes,B/N doped CNT caps (derived from half of a C60 molecule) and alkane chains.The rectification can be expected with different length of alkane chains,and the appropriate length of carbon chain can improve the rectifier coefficient.

carbon nanotube;electronic transport;first-principles method

1672-7010(2016)02-0021-04

2016-03-09

湖南省自然科学基金资助项目(2015JJ3002)

邓小清(1974-)，女，湖南宁乡人，博士，副教授，从事电子信息材料与器件的研究；E-mail:xq_deng@163.com

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