單層及有限層石墨體系的掃描隧道顯微鏡圖像模擬與納米電子器件的理論研究.pdf

1、隨著硅芯片加工工藝進入30納米以下，傳統(tǒng)的CMOS工藝將日趨極限，基于新材料發(fā)展出具有量子效應(yīng)的電子器件，已成為21世紀(jì)科學(xué)研究的熱點和趨勢。2004年單層石墨的發(fā)現(xiàn)引領(lǐng)了該領(lǐng)域研究的一場新浪潮。這種標(biāo)準(zhǔn)的二維材料顯示出優(yōu)異的晶體結(jié)構(gòu)及良好的電學(xué)性質(zhì)，基于單層石墨的碳基集成電路有望通過改進的刻蝕技術(shù)得以實現(xiàn)。此外單層石墨中的準(zhǔn)粒子服從相對論狄拉克方程，而不是傳統(tǒng)半導(dǎo)體所遵循的薛定諤方程，這就為利用這種二維平面凝聚態(tài)的材料來研究量子電動力

2、學(xué)提供了可能。 第一章簡要介紹了一下現(xiàn)有硅工藝的局限性，碳納米管的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用，單層石墨的發(fā)現(xiàn)及單層石墨中奇特的無質(zhì)量狄拉克費米子，以及現(xiàn)有制備單層石墨的方案。 第二章利用緊束縛近似的模型，解析求解了單層及有限層石墨π軌道的本征態(tài)和本征值，進而構(gòu)造出其相應(yīng)的傳播子(實空間格林函數(shù))。在有效質(zhì)量的框架下，單層及有限層石墨實空間格林函數(shù)可以解析的表達為空間各向同性和空間各向異性兩部分的乘積。其中各向同性的部分僅依賴于兩個碳原子

3、之間的相對距離，而各向異性部分由正旋和余旋函數(shù)決定，具有120°的對稱性。利用得到的格林函數(shù)的解析表達式，結(jié)合Dyson方程，模擬了單層石墨上單個雜質(zhì)和多雜質(zhì)構(gòu)成的量子?xùn)艡冢p層石墨上單個、多個空位缺陷以及長、短程勢的掃描隧道顯微鏡圖像。結(jié)果表明當(dāng)雜質(zhì)不破壞石墨表面固有的對稱性時，其相應(yīng)的掃描隧道顯微鏡圖像都呈現(xiàn)出120°的對稱性。通過研究多層石墨表面電子結(jié)構(gòu)隨層數(shù)的衍化，進一步發(fā)現(xiàn)雙層石墨的表面電子結(jié)構(gòu)可近似由多層石墨來反映，這就為實

4、驗上通過體材料石墨樣品來定性研究雙層石墨表面電子結(jié)構(gòu)提供了可能。 第三章在緊束縛近似的框架下，通過朗道模型研究了單層石墨條帶在彈道區(qū)的輸運性質(zhì)，并利用新穎的物理現(xiàn)象設(shè)計出多種量子器件。設(shè)計的器件包括： 1、Z形的量子點器件。將扶手椅形和鋸齒形石墨條帶接在一起形成半導(dǎo)體/金屬/半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)，量子點可以被束縛在金屬部分。同時該結(jié)構(gòu)具有很好的抗擾動性，不會由于雜質(zhì)、襯底和邊界破損的影響而破壞量子點的存在。 2、鋸齒形