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硕士学位论文


论文题目锯齿边缘石墨烯纳米带的电子输运性质

研究生姓名梅光全
指导教师姓名王雪峰
专业名称凝聚态物理
研究方向石墨烯电子输运
论文提交日期 2012-11-01
锯齿边缘石墨烯纳米带的电子输运性质中文摘要
.锯齿边缘石墨烯纳米带的电子输运性质
中文摘要
本论文通过ATK(Atomistix ToolKits)软件,采用密度泛函与非平衡格林函数理
论相结合的方法,根据Landauer-B ttiker电子输运理论在原子尺度上研究了锯齿型石
墨烯纳米带的电子结构和电荷与自旋的输运性质。我们系统地研究了纳米带宽度和掺
杂对电子输运性质影响,取得了一些有意义的结果。
论文首先综述了近年来有关碳材料方面的研究进展,介绍了石墨烯的发现和制备
以及它独特的电子结构。然后概述了基于第一性原理的密度泛函方法和量子输运的非
平衡格林函数理论。在此基础上叙述了硕士期间完成的以下几部分具体的研究工作。
(一)模拟计算了考虑自旋以后锯齿石墨烯纳米带电子结构的变化。在不考虑电
子自旋贡献的时候,纳米带的电导曲线呈现金属性。而当将自旋的贡献考虑进去后,
纳米带的能带结构在费米能附近出现带隙,显示出半导体的性质。
(二)较系统地研究了镜像对称和非对称锯齿型石墨烯纳米带的电子输运性质。
计算发现,考虑自旋效应后,石墨烯纳米带的宽度(及对称性)对其自旋输运起着重
要作用。主要表现为:对于奇数宽度(非对称)纳米带,体系的伏安特性曲线近似为
线性的,即显示为金属性;而对于偶数宽度(对称)纳米带,体系的伏安特性呈非线
性,且在一定偏压范围内出现零电流区域。另外当偏压增加后电流出现饱和,这一性
质使得石墨烯有可能在未来的电路中被用来制作恒流源电子器件。除此之外,在考虑
和不考虑自旋两种情况下,本文还分析了石墨烯纳米带中电子的透射、能带和态密度
之间的关系。以上结果可能为石墨烯纳米带在未来自旋纳米器件的应用提供理论指
导。
(三)研究了石墨烯纳米带掺杂N原子后的输运性质。发现杂质原子的多寡以及
掺杂位置,对石墨烯纳米带电子输运性质有较大影响。在特定的偏压区间,会出现明
显的负微分电阻现象。我们初步探讨了影响输运性质的机制。我们相信,这些基础研
究将有助于设计未来的纳米电子器件。
I
中文摘要锯齿边缘石墨烯纳米带的电子输运性质
关键词:石墨烯纳米带;非平衡格林函数;密度泛函理论;自旋输运;负微分电
阻



作者:梅光全
指导教师:王雪峰

II
Electronic Transport in Zigzag Graphene Nanoribbons ABSTRACT
Electronic Transport in Zigzag Graphene Nanoribbons
ABSTRACT
In this thesis, within the framework of density functional theory and non-equilibrium
Green’s function method integrated in software ATK (Atomistix ToolKits), we study the
electronic structure and charge and spin transport properties of zigzag graphene
nanoribbons based on the Landauer-B ttiker theory in the atomistic scale. We
systematically study the effect of the ribbon width and doping on the electron transport.
We present some interesting results in the following.
The thesis anized as follows. At first I review the recent advances in carbon
material, including the discovery of graphene, its fabrication and unique electronic
structure. Then I introduce the ab initio density functional theory and the non-equilibrium
Green's function theor