【摘 要】
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不同于零带隙的石墨烯,磷烯的直接带隙是随层数可调的。由于磷烯在电学、光学和热学等物理性能方面呈现出独特的面内各向异性的特征,在纳米电子器件等领域具有巨大的潜在应用价值,受到了越来越多的相关领域研究者的关注。基于磷烯材料的高性能纳米电子器件的开发与推广应用,需要对磷烯的电学特性及输运性质进行全面深入的理论研究。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算和非平衡格林函数相结合的方法,研究了磷烯及其纳米带
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不同于零带隙的石墨烯,磷烯的直接带隙是随层数可调的。由于磷烯在电学、光学和热学等物理性能方面呈现出独特的面内各向异性的特征,在纳米电子器件等领域具有巨大的潜在应用价值,受到了越来越多的相关领域研究者的关注。基于磷烯材料的高性能纳米电子器件的开发与推广应用,需要对磷烯的电学特性及输运性质进行全面深入的理论研究。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算和非平衡格林函数相结合的方法,研究了磷烯及其纳米带的电子输运性质的调控方法。首先,通过研究第III族元素B、Al、Ga、第IV族元素C、Si、Ge、第V族元素N、As和第VI族元素O、S、Se等替代掺杂的单层磷烯的电子结构和输运性质,发现掺杂第III族元素B、Al、Ga和第V族元素N、As的单层磷烯仍然保持半导体的性质,而掺杂第IV族C、Si、Ge和第VI族元素O、S、Se的单层磷烯则由半导体性质转变为金属性质。对掺杂磷烯的输运性质的研究发现,掺杂磷烯输运性质的各向异性可通过改变掺杂原子的种类来调控。如Al、Ga原子的掺杂降低了单层磷烯输运性质的各向异性,且在掺杂C、Si、Ge、O、S、Se的单层磷烯模型中出现了负微分电阻效应。考虑到边界尺寸效应,进一步研究C、Si、Ge等原子对扶手椅型磷烯纳米带的电子结构和输运性质的调控作用,发现C、Si、Ge等原子的掺杂可使扶手椅型磷烯纳米带转变为金属性质,而且其输运性质可通过调节掺杂原子的种类、掺杂浓度等因素来调控。通过降低掺杂原子的掺杂浓度,可得到毫伏级的低偏压负微分电阻效应。理论分析负微分电阻效应的成因,发现负微分电阻是由磷烯纳米带模型中的左、右电极能级匹配度变化导致的非对称透射系数的结果。另外,边缘修饰可进一步调控扶手椅型磷烯纳米带的电子输运性质。其次,研究了边缘分别用H、F、Cl、O等原子修饰的悬崖型（cliff-edge）磷烯纳米带的电子结构和输运性质,发现边缘修饰不仅可以提高悬崖型磷烯纳米带的稳定性,还可以诱导其由金属性转变为半导体性。用H、F等原子修饰边缘的悬崖型磷烯纳米带是直接带隙的半导体,而用O、Cl等原子修饰的悬崖型磷烯纳米带是间接带隙的半导体。通过研究H、F、Cl、O等原子修饰边缘对悬崖型磷烯纳米带的输运性质的调控作用,发现悬崖型磷烯纳米带边缘的电子对F、Cl等原子更敏感。另外,基于密度泛函理论和朗道（Laudauer）电流公式,研究了C、O等原子的掺杂位置对扶手椅型磷烯纳米带的稳定性和输运性质的调控作用,发现C、O等原子的掺杂会导致扶手椅型磷烯纳米带转变为金属性质,且与掺杂位置,纳米带的带宽均无关。C、O等原子掺杂在纳米带的边缘位置时可获得最稳定的状态,且此最稳定位置不随带宽而变动,但是负微分电阻的性能会随着纳米带带宽的改变而发生变化。最后,利用两种原子掺杂的扶手椅型磷烯纳米带,构建了场效应晶体管模型,此模型中的负微分电阻效应可通过调节栅极长度、介电层材料等因素来调控。当栅极长度相同时,栅极绝缘介电材料的介电常数越大,漏极电流则越小。但是,电流顶值所对应的电压值不随栅极电压变化,这为设计新型的磷烯电子器件提供了一种新的思路。
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