石墨烯納米帶及分子結(jié)中的光吸收、電荷傳輸和交流響應(yīng)特性研究.pdf

1、自從2004年Novoselov等人在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)石墨烯以來(lái)，該二維材料已經(jīng)吸引了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。由于大塊石墨烯沒(méi)有能隙，研究人員把石墨烯做成了準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)的納米帶，從而成功地打開(kāi)了能隙，因此人們期待石墨烯納米帶能夠做成下一代半導(dǎo)體納米電子器件。除了石墨烯以外，有機(jī)分子材料憑借著其豐富的光學(xué)、磁學(xué)和電學(xué)等性質(zhì)，同樣被認(rèn)為是未來(lái)納米電子器件材料的有力候選者，與之相關(guān)的分子電子學(xué)也已經(jīng)成為了當(dāng)今納米電子學(xué)的一個(gè)重要的分支。得益于掃描隧道電

2、子顯微鏡和原子力顯微鏡的發(fā)明，以及Landauer-B¨uttiker輸運(yùn)理論和非平衡格林函數(shù)等方法的運(yùn)用，分子電子學(xué)在實(shí)驗(yàn)和理論上都取得了重要的進(jìn)展。
　　為了進(jìn)一步探索石墨烯和有機(jī)分子材料在納米技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，在這篇論文當(dāng)中，我們將基于緊束縛模型和非平衡格林函數(shù)方法來(lái)研究石墨烯納米帶及分子結(jié)中的光吸收、電荷傳輸和交流響應(yīng)特性。我們通過(guò)研究不同方向極化入射光的光吸收選擇規(guī)則，發(fā)現(xiàn)來(lái)自邊界態(tài)的激發(fā)對(duì)于中性單層鋸齒形石墨烯納米帶的光

3、吸收特性起著重要的作用。當(dāng)化學(xué)勢(shì)遠(yuǎn)離Dirac點(diǎn)時(shí)，橫向極化入射光在低頻區(qū)域的光電導(dǎo)會(huì)被顯著增強(qiáng)。不同于單層情況，我們借助于外加橫向電場(chǎng)研究了雙層石墨烯納米帶中的相變現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)，來(lái)自邊界態(tài)的激發(fā)對(duì)反鐵磁相雙層納米帶的光吸收特性至關(guān)重要；而當(dāng)雙層納米帶處于電荷極化相時(shí)，對(duì)于橫向極化入射光來(lái)說(shuō)，它的低頻吸收峰會(huì)有一個(gè)寬范圍的增強(qiáng)表現(xiàn)。在單層鋸齒形石墨烯納米帶的角分辨光吸收譜中，我們觀察到納米帶吸收峰的能譜會(huì)隨著轉(zhuǎn)移動(dòng)量的增加而呈現(xiàn)出色散

4、和分裂現(xiàn)象。我們希望這些關(guān)于石墨烯納米帶光吸收特性的研究，能夠給后續(xù)的納米帶光譜實(shí)驗(yàn)提供一定的有用信息，也希望能夠給石墨烯納米帶在將來(lái)的光電應(yīng)用上提供新的可能性。
　　另外，在分析鋸齒形石墨烯納米帶p-n結(jié)中的電荷傳輸特性時(shí)，我們?cè)谠損-n結(jié)的中心區(qū)域看到了磁化表現(xiàn)，這種表現(xiàn)沒(méi)有在兩端的p區(qū)域和n區(qū)域出現(xiàn)。而p區(qū)域和n區(qū)域的接口處存在局域模式，電流會(huì)以這個(gè)模式隧穿通過(guò)該納米帶p-n結(jié)。當(dāng)存在外加橫向電場(chǎng)時(shí)，半金屬態(tài)石墨烯納米帶p-

5、n結(jié)中的電流將會(huì)被自旋極化，而當(dāng)該p-n結(jié)處于電荷極化態(tài)時(shí)，電流將會(huì)被關(guān)斷。所以，我們相信，鋸齒形石墨烯納米帶的磁特性會(huì)在很大程度上影響該p-n結(jié)的電荷傳輸，這使得石墨烯納米帶p-n結(jié)可以在未來(lái)的自旋電子學(xué)裝置上有所應(yīng)用。運(yùn)用非平衡格林函數(shù)方法，我們通過(guò)計(jì)算苯分子結(jié)中的伏安特性，發(fā)現(xiàn)了明顯的負(fù)微分電導(dǎo)表現(xiàn)，這個(gè)表現(xiàn)來(lái)自于苯分子結(jié)中的電荷重新分布和分子-電極接口處的庫(kù)侖阻塞效應(yīng)。在外加橫向電場(chǎng)后，我們?cè)诒椒肿咏Y(jié)的電流中觀測(cè)到了遲滯開(kāi)關(guān)表現(xiàn)

6、和大的自旋極化現(xiàn)象。因此，我們的計(jì)算表明橫向電場(chǎng)影響下的苯分子結(jié)可以用作電流開(kāi)關(guān)和自旋電子學(xué)裝置。除了伏安特性，我們還研究了單分子結(jié)中的電流噪聲和交流響應(yīng)特性。我們發(fā)現(xiàn)，高頻區(qū)域的噪聲功率密度不受外加偏置電壓的影響，但是當(dāng)電子在占據(jù)分子軌道和未占據(jù)分子軌道之間躍遷時(shí)，對(duì)應(yīng)頻率處的噪聲會(huì)被抑制，呈現(xiàn)出凹陷結(jié)構(gòu)。在低頻區(qū)域，偏置電壓和背柵門電壓都能有效地影響電流噪聲譜和交流電導(dǎo)。我們希望這些結(jié)果能夠給將來(lái)的單分子結(jié)電路噪聲和交流響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和

7、理論探索提供一定的基礎(chǔ)。
　　這篇論文的具體章節(jié)安排如下：第一章是我們的緒論部分。在這一章中，我們會(huì)簡(jiǎn)要地介紹一下石墨烯的背景知識(shí)，包括石墨烯納米帶能帶結(jié)構(gòu)、石墨烯光吸收特性以及石墨烯納米帶電荷傳輸特性。此外，我們還會(huì)簡(jiǎn)要地介紹一下分子電子學(xué)的背景知識(shí)，其中主要包括分子結(jié)電荷傳輸特性。在第二章中，我們主要介紹單層和雙層鋸齒形石墨烯納米帶中的光吸收特性，以及單層鋸齒形石墨烯納米帶中的角分辨光吸收譜特性。在第三章中，我們主要介紹鋸齒形