搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

石墨烯纳米带电极同分异构喹啉分子结电子输运性质

左敏 廖文虎 吴丹 林丽娥

石墨烯纳米带电极同分异构喹啉分子结电子输运性质

左敏, 廖文虎, 吴丹, 林丽娥
PDF
HTML
导出引用
  • 基于密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理计算方法, 系统地研究了通过碳原子(C)连接的同分异构喹啉分子(C9H5N)嵌于石墨烯纳米带电极间的分子电子器件输运性质. 研究结果表明: 器件电流在偏压[–0.3 V, +0.3 V]范围内呈线性变化, 电流在[–0.4 V, –0.9 V]和[+0.5 V, +0.8 V]范围内随着偏压的增大而减小, 呈现显著的负微分电阻效应; 当喹啉分子平面与石墨烯纳米带电极间存在一定夹角时, 器件电流呈现明显的负微分电阻效应且与喹啉分子平面旋转方向无关, 当喹啉分子平面与石墨烯纳米带电极垂直时, 器件电流截止. 以上研究结果得到偏压窗内透射系数积分以及零偏压下实空间电荷密度分布等的有力印证, 可为设计制作基于同分异构喹啉分子电子开关和负微分电阻器件提供理论依据.
      通信作者: 廖文虎, whliao@jsu.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11664010, 11264013)、湖南省自然科学基金(批准号: 2017JJ2217, 12JJ4003)、湖南省教育厅重点基金(批准号: 18A293)和吉首大学科研项目(批准号: JGY201851, Jdy1849, Jdy19039)资助的课题
    [1]

    Gimzewski J K, Joachim C 1999 Science 283 1683

    [2]

    Aviram A 1989 Angew. Chem. 101 536

    [3]

    Zhao P, Fang C, Xia C, Wang Y, Liu D, Xie S 2008 Appl. Phys. Lett. 93 013113

    [4]

    Fu Q, Yang J, Luo Y 2009 Appl. Phys. Lett. 95 182103

    [5]

    An Y P, Yang Z, Ratner M A 2011 J. Chem. Phys. 135 044706

    [6]

    Fan Z Q, Zhang Z H, Deng X Q, Tang G P, Chen K Q 2012 Org. Electron. 13 2954

    [7]

    Pan J, Zhang Z, Deng X, Qiu M, Guo C 2010 Appl. Phys. Lett. 97 203104

    [8]

    Zeng J, Chen K Q, He J, Fan Z Q, Zhang X J 2011 J. Appl. Phys. 109 124502

    [9]

    Wu Q H, Zhao P, Liu D S 2014 Acta Phys. Chim. Sin. 30 53

    [10]

    Ren H, Li Q X, Luo Y, Yang J 2009 Appl. Phys. Lett. 94 173110

    [11]

    Geng H, Hu Y, Shuai Z, Xia K, Gao H, Chen K 2007 J. Phys. Chem. C 111 19098

    [12]

    Zhang J J, Zhang Z H, Guo C, Li J, Deng X Q 2012 Acta Phys. Chim. Sin. 28 1701

    [13]

    Zhang X, Chen K, Long M, He J, Gao Y 2015 Mod. Phys. Lett. B 29 1550106

    [14]

    Ozaki T, Nishio K, Weng H, Kino H 2010 Phys. Rev. B 81 075422

    [15]

    Zhang D, Long M, Zhang X, Ouyang F, Li M, Xu H 2015 J. Appl. Phys. 117 014311

    [16]

    Cui L L, Long M Q, Zhang X J, Li X M, Zhang D, Yang B C 2016 Phys. Lett. A 380 730

    [17]

    Jia C, Migliore A, Xin N, Huang S, Wang J, Yang Q, Wang S, Chen H, Wang D, Feng B 2016 Science 352 1443

    [18]

    Wen H M, Yang Y, Zhou X S, Liu J Y, Zhang D B, Chen Z B, Wang J Y, Chen Z N, Tian Z Q 2013 Chem. Sci. 4 2471

    [19]

    Metzger R M 2003 Chem. Rev. 103 3803

    [20]

    Chung A, Deen J, Lee J S, Meyyappan M 2010 Nanotechnology 21 412001

    [21]

    Chen J, Reed M, Rawlett A, Tour J 1999 Science 286 1550

    [22]

    Joachim C, Gimzewski J K, Schlittler R R, Chavy C 1995 Phys. Rev. Lett. 74 2102

    [23]

    Wan H, Zhou B, Chen X, Sun C Q, Zhou G 2012 J. Phys. Chem. C 116 2570

    [24]

    Danilov A V, Hedegård P, Golubev D S, Bjørnholm T, Kubatkin S E 2008 Nano Lett. 8 2393

    [25]

    Bumm L, Arnold J, Cygan M, Dunbar T, Burgin T, Jones L, Allara D L, Tour J M, Weiss P 1996 Science 271 1705

    [26]

    Reed M A, Zhou C, Muller C, Burgin T, Tour J 1997 Science 278 252

    [27]

    Chen J, Wang W, Reed M, Rawlett A, Price D, Tour J 2000 Appl. Phys. Lett. 77 1224

    [28]

    Venkataraman L, Klare J E, Nuckolls C, Hybertsen M S, Steigerwald M L 2006 Nature 442 904

    [29]

    Quinn J R, Foss Jr F W, Venkataraman L, Hybertsen M S, Breslow R 2007 J. Am. Chem. Soc. 129 6714

    [30]

    Fu W, Xu Z, Bai X, Gu C, Wang E 2009 Nano Lett. 9 921

    [31]

    Wang J, Zhu M, Outlaw R, Zhao X, Manos D, Holloway B, Mammana V 2004 Appl. Phys. Lett. 85 1265

    [32]

    Lin Z, Jun W 2014 Chin. Phys. B 23 087202

    [33]

    Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, Jiang D, Zhang Y, Dubonos S V, Grigorieva I V, Firsov A A 2004 Science 306 666

    [34]

    王雪梅, 刘红 2011 物理学报 60 047102

    Wang X M, Liu H 2011 Acta Phys. Sin. 60 047102

    [35]

    Li X, Wang X, Zhang L, Lee S, Dai H 2008 Science 319 1229

    [36]

    Son Y W, Cohen M L, Louie S G 2006 Nature 444 347

    [37]

    Wen B, Cao M S, Lu M M, Cao W Q, Shi H G, Liu J, Wang X X, Jin H B, Fang X Y, Wang W Z 2014 Adv. Mater. 26 3484

    [38]

    Cao M S, Shu J C, Wang X X, Wang X, Zhang M, Yang H J, Fang X Y, Yuan J 2019 Annalen Der Physik 531 1800390

    [39]

    Cao M S, Wang X X, Zhang M, Shu J C, Cao W Q, Yang H J, Fang X Y, Yuan J 2019 Adv. Funct. Mater. 29 1807398

    [40]

    Zhang M, Wang X X, Cao W Q, Yuan J, Cao M S 2019 Adv. Opt. Mater. 4 1900689

    [41]

    Fang X Y, Yu X X, Zheng H M, Jin H B, Wang L, Cao M S 2015 Phys. Lett. A 379 2245

    [42]

    Cao M S, Wang X X, Cao W Q, Fang X Y, Wen B, Yuan J 2018 Small 14 1800987

    [43]

    Cao W Q, Wang X X, Yuan J, Wang W Z, Cao M S 2015 J. Mater. Chem. C 3 10017

    [44]

    Wen B, Cao M S, Hou Z L, Song W L, Zhang L, Lu M M, Jin H B, Fang X Y, Wang W Z, Yuan J 2013 Carbon 65 124

    [45]

    Taylor J, Guo H, Wang J 2001 Phys. Rev. B 63 245407

    [46]

    Taylor J, Guo H, Wang J 2001 Phys. Rev. B 63 121104

    [47]

    Waldron D, Haney P, Larade B, MacDonald A, Guo H 2006 Phys. Rev. Lett. 96 166804

    [48]

    Waldron D, Timoshevskii V, Hu Y, Xia K, Guo H 2006 Phys. Rev. Lett. 97 226802

    [49]

    Perdew J P, Zunger A 1981 Phys. Rev. B 23 5048

    [50]

    Copple A, Ralston N, Peng X 2012 Appl. Phys. Lett. 100 193108

    [51]

    Brandbyge M, Mozos J L, Ordejón P, Taylor J, Stokbro K 2002 Phys. Rev. B 65 165401

    [52]

    Lee C, Yang W, Parr R G 1988 Phys. Rev. B 37 785

    [53]

    Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [54]

    Hammer B, Hansen L, Nørskov J 1999 Phys. Rev. B 59 7413

    [55]

    Guo B, Liu Q, Chen E, Zhu H, Fang L, Gong J R 2010 Nano Lett. 10 4975

    [56]

    Datta S 1997 Electronic Transport in Mesoscopic Systems (2nd ed.) (The United Kingdom: Cambridge University Press) pp102−112

  • 图 1  由半无限长锯齿型石墨烯纳米带左电极/中心散射区/半无限长锯齿型石墨烯纳米带右电极组成的ZGNR/C9H5N/ZGNR分子电子器件结构示意图, 红色方框区域表示中心散射区 (a)—(c)分别对应喹啉C9H5N分子中氮原子N处于编号2, 3和5处; (d)和(e)给出喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极平面成0°和90°时的模型

    Fig. 1.  ZGNR/C9H5N/ZGNR molecular electronic device schematic diagram consisted of a semi-infinite ZGNR left electrode/a central scattering region/a semi-infinite right ZGNR electrode, the red dashed line area represents the central scattering region. (a)−(c) denotes the marked 2nd, 3rd and 5th N atom of the C9H5N molecular; (d) and (e) illustrates the model of the 0° and 90° angle between the C9H5N molecule and graphene nanoribbon electrodes, respectively.

    图 2  器件电流-电压(I-V)曲线(a)和电导(b)

    Fig. 2.  The current-voltage (I-V) curve (a) and conductance (b) of the device.

    图 3  器件(a) M1、(b) M2和(c) M3在0, ±0.4 V, ±0.9 V以及±1.5 V偏压下的透射谱, 图中的黑色虚线和阴影部分面积分别表示偏压窗和偏压窗内的透射系数积分面积

    Fig. 3.  The transmission spectrum of the device (a) M1, (b) M2 and (c) M3 under the bias voltage of 0, ±0.4 V, ±0.9 V and ±1.5 V, where the (black) dashed lines and shaded area denote the bias window and the integrated area of the transmission coefficient in the bias window, respectively.

    图 4  M1器件喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成0°, 30°, 45°, 60°, 90°和–90°的(a)I-V曲线和(b)电导

    Fig. 4.  The (a) I-V curve and (b) conductance of the M1 device when the angle between the C9H5N molecule and graphene nanoribbon electrodes is 0°, 30°, 45°, 60°, 90° and –90°, respectively.

    图 5  偏压0, ± 0.3 V, ± 0.9 V以及 ± 1.5 V下喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极分别成 (a) 0°, (b) 30°, (c) 45°, (d) 60°和(e) 90°时的透射谱, 图中的黑色虚线和阴影部分面积分别表示偏压窗和偏压窗内透射系数积分面积

    Fig. 5.  The transmission spectra for the angle between the C9H5N molecules and graphene nanoribbon electrodes is (a) 0°, (b) 30°, (c) 45°, (d) 60° and (e) 90°, respectively, under the bias voltage of 0, ± 0.3 V, ± 0.9 V and ± 1.5 V, where the (black) dashed lines and shaded area denote the bias window and the integrated area of the transmission coefficient in the bias window, respectively.

    图 6  零偏压下, 喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成0°, 30°, 45°, 60°, 90°和–90°角度下的透射谱, 其中红色虚线表示费米能级

    Fig. 6.  The transmission spectrum of the C9H5N molecule and the ZGNR electrodes at the angle of 0°, 30°, 45°, 60°, 90° and –90° under the 0 bias, where the (red) dashed line denotes the Fermi level.

    图 7  零偏压下, 喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成 (a) 0°, (b) 60°, (c) 90°和(d) –90°时的实空间电荷密度

    Fig. 7.  The real space charge density for the angle between the C9H5N molecule and graphene nanoribbon electrodes is (a) 0°, (b) 60°, (c) 90° and (d) –90°, respectively under the 0 bias voltage.

  • [1]

    Gimzewski J K, Joachim C 1999 Science 283 1683

    [2]

    Aviram A 1989 Angew. Chem. 101 536

    [3]

    Zhao P, Fang C, Xia C, Wang Y, Liu D, Xie S 2008 Appl. Phys. Lett. 93 013113

    [4]

    Fu Q, Yang J, Luo Y 2009 Appl. Phys. Lett. 95 182103

    [5]

    An Y P, Yang Z, Ratner M A 2011 J. Chem. Phys. 135 044706

    [6]

    Fan Z Q, Zhang Z H, Deng X Q, Tang G P, Chen K Q 2012 Org. Electron. 13 2954

    [7]

    Pan J, Zhang Z, Deng X, Qiu M, Guo C 2010 Appl. Phys. Lett. 97 203104

    [8]

    Zeng J, Chen K Q, He J, Fan Z Q, Zhang X J 2011 J. Appl. Phys. 109 124502

    [9]

    Wu Q H, Zhao P, Liu D S 2014 Acta Phys. Chim. Sin. 30 53

    [10]

    Ren H, Li Q X, Luo Y, Yang J 2009 Appl. Phys. Lett. 94 173110

    [11]

    Geng H, Hu Y, Shuai Z, Xia K, Gao H, Chen K 2007 J. Phys. Chem. C 111 19098

    [12]

    Zhang J J, Zhang Z H, Guo C, Li J, Deng X Q 2012 Acta Phys. Chim. Sin. 28 1701

    [13]

    Zhang X, Chen K, Long M, He J, Gao Y 2015 Mod. Phys. Lett. B 29 1550106

    [14]

    Ozaki T, Nishio K, Weng H, Kino H 2010 Phys. Rev. B 81 075422

    [15]

    Zhang D, Long M, Zhang X, Ouyang F, Li M, Xu H 2015 J. Appl. Phys. 117 014311

    [16]

    Cui L L, Long M Q, Zhang X J, Li X M, Zhang D, Yang B C 2016 Phys. Lett. A 380 730

    [17]

    Jia C, Migliore A, Xin N, Huang S, Wang J, Yang Q, Wang S, Chen H, Wang D, Feng B 2016 Science 352 1443

    [18]

    Wen H M, Yang Y, Zhou X S, Liu J Y, Zhang D B, Chen Z B, Wang J Y, Chen Z N, Tian Z Q 2013 Chem. Sci. 4 2471

    [19]

    Metzger R M 2003 Chem. Rev. 103 3803

    [20]

    Chung A, Deen J, Lee J S, Meyyappan M 2010 Nanotechnology 21 412001

    [21]

    Chen J, Reed M, Rawlett A, Tour J 1999 Science 286 1550

    [22]

    Joachim C, Gimzewski J K, Schlittler R R, Chavy C 1995 Phys. Rev. Lett. 74 2102

    [23]

    Wan H, Zhou B, Chen X, Sun C Q, Zhou G 2012 J. Phys. Chem. C 116 2570

    [24]

    Danilov A V, Hedegård P, Golubev D S, Bjørnholm T, Kubatkin S E 2008 Nano Lett. 8 2393

    [25]

    Bumm L, Arnold J, Cygan M, Dunbar T, Burgin T, Jones L, Allara D L, Tour J M, Weiss P 1996 Science 271 1705

    [26]

    Reed M A, Zhou C, Muller C, Burgin T, Tour J 1997 Science 278 252

    [27]

    Chen J, Wang W, Reed M, Rawlett A, Price D, Tour J 2000 Appl. Phys. Lett. 77 1224

    [28]

    Venkataraman L, Klare J E, Nuckolls C, Hybertsen M S, Steigerwald M L 2006 Nature 442 904

    [29]

    Quinn J R, Foss Jr F W, Venkataraman L, Hybertsen M S, Breslow R 2007 J. Am. Chem. Soc. 129 6714

    [30]

    Fu W, Xu Z, Bai X, Gu C, Wang E 2009 Nano Lett. 9 921

    [31]

    Wang J, Zhu M, Outlaw R, Zhao X, Manos D, Holloway B, Mammana V 2004 Appl. Phys. Lett. 85 1265

    [32]

    Lin Z, Jun W 2014 Chin. Phys. B 23 087202

    [33]

    Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, Jiang D, Zhang Y, Dubonos S V, Grigorieva I V, Firsov A A 2004 Science 306 666

    [34]

    王雪梅, 刘红 2011 物理学报 60 047102

    Wang X M, Liu H 2011 Acta Phys. Sin. 60 047102

    [35]

    Li X, Wang X, Zhang L, Lee S, Dai H 2008 Science 319 1229

    [36]

    Son Y W, Cohen M L, Louie S G 2006 Nature 444 347

    [37]

    Wen B, Cao M S, Lu M M, Cao W Q, Shi H G, Liu J, Wang X X, Jin H B, Fang X Y, Wang W Z 2014 Adv. Mater. 26 3484

    [38]

    Cao M S, Shu J C, Wang X X, Wang X, Zhang M, Yang H J, Fang X Y, Yuan J 2019 Annalen Der Physik 531 1800390

    [39]

    Cao M S, Wang X X, Zhang M, Shu J C, Cao W Q, Yang H J, Fang X Y, Yuan J 2019 Adv. Funct. Mater. 29 1807398

    [40]

    Zhang M, Wang X X, Cao W Q, Yuan J, Cao M S 2019 Adv. Opt. Mater. 4 1900689

    [41]

    Fang X Y, Yu X X, Zheng H M, Jin H B, Wang L, Cao M S 2015 Phys. Lett. A 379 2245

    [42]

    Cao M S, Wang X X, Cao W Q, Fang X Y, Wen B, Yuan J 2018 Small 14 1800987

    [43]

    Cao W Q, Wang X X, Yuan J, Wang W Z, Cao M S 2015 J. Mater. Chem. C 3 10017

    [44]

    Wen B, Cao M S, Hou Z L, Song W L, Zhang L, Lu M M, Jin H B, Fang X Y, Wang W Z, Yuan J 2013 Carbon 65 124

    [45]

    Taylor J, Guo H, Wang J 2001 Phys. Rev. B 63 245407

    [46]

    Taylor J, Guo H, Wang J 2001 Phys. Rev. B 63 121104

    [47]

    Waldron D, Haney P, Larade B, MacDonald A, Guo H 2006 Phys. Rev. Lett. 96 166804

    [48]

    Waldron D, Timoshevskii V, Hu Y, Xia K, Guo H 2006 Phys. Rev. Lett. 97 226802

    [49]

    Perdew J P, Zunger A 1981 Phys. Rev. B 23 5048

    [50]

    Copple A, Ralston N, Peng X 2012 Appl. Phys. Lett. 100 193108

    [51]

    Brandbyge M, Mozos J L, Ordejón P, Taylor J, Stokbro K 2002 Phys. Rev. B 65 165401

    [52]

    Lee C, Yang W, Parr R G 1988 Phys. Rev. B 37 785

    [53]

    Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [54]

    Hammer B, Hansen L, Nørskov J 1999 Phys. Rev. B 59 7413

    [55]

    Guo B, Liu Q, Chen E, Zhu H, Fang L, Gong J R 2010 Nano Lett. 10 4975

    [56]

    Datta S 1997 Electronic Transport in Mesoscopic Systems (2nd ed.) (The United Kingdom: Cambridge University Press) pp102−112

  • [1] 刘源, 姚洁, 陈驰, 缪灵, 江建军. 氢修饰石墨烯纳米带压电性质的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(6): 063601. doi: 10.7498/aps.62.063601
    [2] 曾永昌, 田文, 张振华. 周期性纳米洞内边缘氧饱和石墨烯纳米带的电子特性. 物理学报, 2013, 62(23): 236102. doi: 10.7498/aps.62.236102
    [3] 陈将伟, 杨林峰. 有限长双壁碳纳米管的电子输运性质. 物理学报, 2005, 54(5): 2183-2187. doi: 10.7498/aps.54.2183
    [4] 陈伟, 陈润峰, 李永涛, 俞之舟, 徐宁, 卞宝安, 李兴鳌, 汪联辉. 基于石墨烯电极的Co-Salophene分子器件的自旋输运. 物理学报, 2017, 66(19): 198503. doi: 10.7498/aps.66.198503
    [5] 林琦, 陈余行, 吴建宝, 孔宗敏. N掺杂对zigzag型石墨烯纳米带的能带结构和输运性质的影响. 物理学报, 2011, 60(9): 097103. doi: 10.7498/aps.60.097103
    [6] 梁锦涛, 颜晓红, 张影, 肖杨. 硼或氮掺杂的锯齿型石墨烯纳米带的非共线磁序与电子输运性质. 物理学报, 2019, 68(2): 027101. doi: 10.7498/aps.68.20181754
    [7] 邓小清, 孙琳, 李春先. 界面铁掺杂锯齿形石墨烯纳米带的自旋输运性能. 物理学报, 2016, 65(6): 068503. doi: 10.7498/aps.65.068503
    [8] 李骏, 张振华, 王成志, 邓小清, 范志强. 石墨烯纳米带卷曲效应对其电子特性的影响. 物理学报, 2013, 62(5): 056103. doi: 10.7498/aps.62.056103
    [9] 顾芳, 张加宏, 杨丽娟, 顾斌. 应变石墨烯纳米带谐振特性的分子动力学研究. 物理学报, 2011, 60(5): 056103. doi: 10.7498/aps.60.056103
    [10] 杨平, 王晓亮, 李培, 王欢, 张立强, 谢方伟. 氮掺杂和空位对石墨烯纳米带热导率影响的分子动力学模拟. 物理学报, 2012, 61(7): 076501. doi: 10.7498/aps.61.076501
    [11] 郑伯昱, 董慧龙, 陈非凡. 基于量子修正的石墨烯纳米带热导率分子动力学表征方法. 物理学报, 2014, 63(7): 076501. doi: 10.7498/aps.63.076501
    [12] 陶强, 胡小颖, 朱品文. 羟基饱和锯齿型石墨烯纳米带的电子结构. 物理学报, 2011, 60(9): 097301. doi: 10.7498/aps.60.097301
    [13] 王卫东, 郝跃, 纪翔, 易成龙, 牛翔宇. 不同温度条件下单层石墨烯纳米带弛豫性能的分子动力学研究. 物理学报, 2012, 61(20): 200207. doi: 10.7498/aps.61.200207
    [14] 马丽, 谭振兵, 谭长玲, 刘广同, 杨昌黎, 吕力. 机械剥离法制备石墨烯纳米带及其低温电输运性质研究. 物理学报, 2011, 60(10): 107302. doi: 10.7498/aps.60.107302
    [15] 张华林, 孙琳, 王鼎. 含单排线缺陷锯齿型石墨烯纳米带的电磁性质. 物理学报, 2016, 65(1): 016101. doi: 10.7498/aps.65.016101
    [16] 胡海鑫, 张振华, 刘新海, 邱明, 丁开和. 石墨烯纳米带电子结构的紧束缚法研究. 物理学报, 2009, 58(10): 7156-7161. doi: 10.7498/aps.58.7156
    [17] 李彪, 徐大海, 曾晖. 边缘重构对锯齿型石墨烯纳米带电子输运的影响. 物理学报, 2014, 63(11): 117102. doi: 10.7498/aps.63.117102
    [18] 宋久旭, 杨银堂, 刘红霞, 张志勇. 掺氮碳化硅纳米管电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2009, 58(7): 4883-4887. doi: 10.7498/aps.58.4883
    [19] 秦军瑞, 陈书明, 张超, 陈建军, 梁斌, 刘必慰. A-Z-A型石墨烯场效应晶体管吸附效应的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(2): 023102. doi: 10.7498/aps.61.023102
    [20] 谢知, 程文旦. TiO2纳米管电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(24): 243102. doi: 10.7498/aps.63.243102
  • 引用本文:
    Citation:
计量
  • 文章访问数:  1297
  • PDF下载量:  34
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-27
  • 修回日期:  2019-09-23
  • 上网日期:  2019-11-26
  • 刊出日期:  2019-12-05

石墨烯纳米带电极同分异构喹啉分子结电子输运性质

  • 吉首大学物理与机电工程学院, 吉首 416000
  • 通信作者: 廖文虎, whliao@jsu.edu.cn
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11664010, 11264013)、湖南省自然科学基金(批准号: 2017JJ2217, 12JJ4003)、湖南省教育厅重点基金(批准号: 18A293)和吉首大学科研项目(批准号: JGY201851, Jdy1849, Jdy19039)资助的课题

摘要: 基于密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理计算方法, 系统地研究了通过碳原子(C)连接的同分异构喹啉分子(C9H5N)嵌于石墨烯纳米带电极间的分子电子器件输运性质. 研究结果表明: 器件电流在偏压[–0.3 V, +0.3 V]范围内呈线性变化, 电流在[–0.4 V, –0.9 V]和[+0.5 V, +0.8 V]范围内随着偏压的增大而减小, 呈现显著的负微分电阻效应; 当喹啉分子平面与石墨烯纳米带电极间存在一定夹角时, 器件电流呈现明显的负微分电阻效应且与喹啉分子平面旋转方向无关, 当喹啉分子平面与石墨烯纳米带电极垂直时, 器件电流截止. 以上研究结果得到偏压窗内透射系数积分以及零偏压下实空间电荷密度分布等的有力印证, 可为设计制作基于同分异构喹啉分子电子开关和负微分电阻器件提供理论依据.

English Abstract

    • 近年来, 微观表征和操控技术的快速发展极大地丰富和提高了分子器件的研究能力, 使得人们可在纳米尺度上, 从单个原子或分子出发, 构建具有特定功能和新奇特性的分子电子器件[1,2]. 人们已经观测到分子开关效应[3-6]、分子整流效应[7-9]、负微分电阻效应[10-13]、自旋过滤效应[14-16]等一系列非线性电流输运特性, 这些有趣的特性在未来分子级别的信息处理、信息存储等诸多领域有着美好的应用前景, 科学家们成功构建出分子开关[17]、分子导线[18]、分子整流器[19]以及分子存储器[20]等基于以上特性的功能各异的分子电子器件. Chen等[21]通过分子自组装技术研究了含有硝基胺氧化还原中心的分子器件, 发现负微分电阻效应和超过1000∶1的开关峰谷比; Joachim等[22]利用扫描隧道显微镜技术研究了C60分子吸附在Au(1 1 0)上的电流曲线; Wan等[23]在基于石墨烯纳米带电极的苯环器件中发现了开关、双自旋滤波效应和负微分电阻效应; Danilov等[24]设计出基于C60分子纳米级隧穿导电开关; Bumm等[25]在高隧道结阻抗下评估正十二烷硫醇自组装单分子层作为分子导线候选物的电气特性. Reed等[26]将苯-1, 4-二硫醇分子自组装到力学可控劈裂结的两个相对金电极上, 形成静态稳定的金-硫-芳基-硫-金系统, 直接观察通过分子的电荷输运; Chen等[27]利用含有硝基胺2′-氨基-4, 4′-二(乙基苯基)-5′-硝基–1-苯乙硫醇或硝基化合物作为活性成分的活性自组装单体分子器件. Venkataraman等[28]通过实验研究了单分子结电导与分子构型的关系; Quinn等[29]发现胺代替硫醇或异硝基可提高金属-分子-金属连接中电导测量的可靠性和可重复性; Fu等[30]探讨了基于单壁碳纳米管和铁电薄膜的铁电场效应晶体管的固有记忆功能. 如何充分利用分子的电学性质制备分子电子器件, 使分子实现电子器件的功能已经成为分子电子学的研究热点之一.

      自2004年Geim研究组成功获得石墨烯以来, 石墨烯及其相关器件的研究受到了广泛关注[31-34], 扶手椅型和锯齿型石墨烯纳米带[35,36]作为基本结构经常被用于石墨烯基分子电子器件设计. 氧化石墨烯/二氧化硅复合材料[37]被证明在323—473 K的温度范围内具有优异的介电常数和电磁干扰屏蔽性能. Cao等[38]系统地研究了二维材料的电子输运、偶极弛豫和磁共振等电磁响应起源, 他们还探讨了碳基材料和过渡金属化合物的电子结构、电磁响应和能量转换以及它们之间的关系[39]. Zhang等[40]系统地研究了图案化二维材料先进制造技术及其电子结构和物理特性. Fang等[41]基于玻尔兹曼输运方程和二维电子气理论建立了多层石墨烯电导率的计算模型. Cao等[42]提出“物质基因测序”方法, 从实验和理论上探讨热驱动的弛豫和电荷输运性质, 他们还发现超薄轻质石墨烯复合材料在高温下具有高效的微波吸收性能以及热稳定性介电常数[43]. Wen等[44]的研究表明, 多壁碳纳米管/二氧化硅复合材料在100—500 ℃的温度范围内对8.2—12.4 GHz范围内的微波辐射具有电磁干扰屏蔽性能. 此外, 喹啉是冶金、染料以及聚合物的重要中间体, 是结构比较简单的有机共轭小分子, 具有来源广泛、结构可设计、易于合成和便于化学结构修饰等特点, 是分子电子器件领域的研究热点之一, 从物理的角度探讨嵌于石墨烯纳米带电极间的同分异构喹啉分子电子器件的输运性质, 可为设计制作性能优良的分子电子器件提供理论依据.

      本文基于密度泛函理论(DFT)与非平衡格林函数的(NEGF)相结合的第一性原理计算方法, 系统地研究了通过碳原子连接的同分异构喹啉分子嵌于石墨烯纳米带电极间的分子电子器件输运性质. 研究结果表明, 器件电流在偏压[–0.3 V, +0.3 V]范围内呈线性变化, 电流在[–0.4 V, –0.9 V]和[+0.5 V, +0.8 V]范围内随着偏压的增大而减小, 呈现显著的负微分电阻效应. 此外, 当喹啉分子平面与石墨烯纳米带电极间存在一定夹角时, 器件电流呈现明显的负微分电阻效应且与喹啉分子平面旋转方向无关; 当喹啉分子平面与石墨烯纳米带电极垂直时, 器件电流截止. 以上研究结果得到偏压窗内透射系数积分以及零偏压下实空间电荷密度分布的有力印证, 可为设计制作基于同分异构喹啉分子的分子开关和负微分电阻器件提供理论依据.

    • 半无限长锯齿型石墨烯纳米带-喹啉C9H5N分子-半无限长锯齿型石墨烯纳米带构成的分子电子器件如图1所示, 器件分为左电极、中心散射区(图1中的红色虚线框区域所示)和右电极三个部分, 喹啉C9H5N分子中氮原子N的位置编号如图1(a)所示. 喹啉C9H5N分子中氮原子N分别处于编号2, 3和5处时的模型称为M1, M2和M3, 如图1(a)图1(c)所示. 将喹啉C9H5N分子平面垂直纸面向里旋转方向定义为正, 如图1(d)图1(e)给出喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极平面成0°和90°时的模型.

      图  1  由半无限长锯齿型石墨烯纳米带左电极/中心散射区/半无限长锯齿型石墨烯纳米带右电极组成的ZGNR/C9H5N/ZGNR分子电子器件结构示意图, 红色方框区域表示中心散射区 (a)—(c)分别对应喹啉C9H5N分子中氮原子N处于编号2, 3和5处; (d)和(e)给出喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极平面成0°和90°时的模型

      Figure 1.  ZGNR/C9H5N/ZGNR molecular electronic device schematic diagram consisted of a semi-infinite ZGNR left electrode/a central scattering region/a semi-infinite right ZGNR electrode, the red dashed line area represents the central scattering region. (a)−(c) denotes the marked 2nd, 3rd and 5th N atom of the C9H5N molecular; (d) and (e) illustrates the model of the 0° and 90° angle between the C9H5N molecule and graphene nanoribbon electrodes, respectively.

      我们的计算采用DFT与NEGF相结合的第一性原理计算方法[45-48], 研究过程中选择自洽循环哈密顿量, 局部密度近似[49]LDA_PZ交换相关势, 费米温度为100 K, 能量截断半径取为80 Hartree, 对所有原子选用双极化DZP基函数组. xy方向为真空方向, z方向为输运方向. 对应x, yz方向, 左电极、中心散射区和右电极的K点取样分别为1 × 1 × 100, 1 × 1 × 1和1 × 1 × 100. 此外, 我们采用较大的基函数组、较高的能量截断半径以及广义梯度近似[50,51]下Perdew-Burke-Ernzerhof泛函[52-55]验证了研究结果的准确性.

      基于格林函数方法计算得到的透射系数为

      $\begin{split} & T( {E,{V_{\rm{B}}}} )= \\ \,& {\rm{Tr}}\big[{{\varGamma _{\rm{L}}}( {E,{V_{\rm{B}}}} ){{\rm G}^r}( {E,{V_{\rm{B}}}} ){\varGamma _{\rm{R}}}( {E,{V_{\rm{B}}}} ){{\rm G}^{\rm a} }( {E,{V_{\rm{B}}}} )} \big], \end{split}$

      其中, 线宽函数

      ${\varGamma _{{\rm{L/R}}}}\left( {E, {V_{\rm{B}}}} \right) = {\rm{i}}\left[\displaystyle\sum\nolimits_{{\rm{L/R}}}^r {\left( {E, {V_{\rm{B}}}} \right)}- \right.\left.\displaystyle\sum\nolimits_{{\rm{L/R}}}^a {\left( {E, {V_{\rm{B}}}} \right)}\right] ,$

      推迟格林函数

      ${\rm G}^r(E,V_B)={\left[ {{{\rm G}^{\rm a}}\left( {E, {V_{\rm{B}}}} \right)} \right]^\dagger } = {\left[ {E - {H_{{\rm{cent}}}} \!-\! \displaystyle\sum\nolimits_{\rm{L}}^r {} - \displaystyle\sum\nolimits_{\rm{R}}^r {} } \right]^{ - 1}},$

      L/R代表左/右电极, E表示从做左电极L所有通道并散射到右电极R的能量, VB是左、右电极间的偏置电压, $e{V_{\rm{B}}} = {\mu _{\rm{L}}} - {\mu _{\rm{R}}}$, ${\mu _{{\rm L}/{\rm{R}}}}$表示左/右电极的化学势, e为电子电量. 左/右电极的推迟/提前自能$\displaystyle\sum\nolimits_{{\rm{L/R}}}^{r/a} {\left( {E, {V_{\rm{B}}}} \right)} $可通过数值方法进行计算, Hcent表示中心区域哈密顿量, 可进一步计算体系的电流

      $\begin{split} I = & \frac{{2e}}{h}\int_{{\mu _{\rm{L}}}}^{{\mu _{\rm{R}}}} T( {E,{V_{\rm{B}}}} ) \big[{f_{\rm{L}}}\left( {E - {\mu _{\rm{L}}}} \right) \\ & - {f_{\rm{R}}}\left( {E - {\mu _{\rm{R}}}} \right) \big]{\rm{d}}E, \end{split} $

      其中, ${f_{{\rm{L/R}}}}\left( {E - {\mu _{{\rm{L/R}}}}} \right) = 1/\left[ {1 + {{\rm{e}}^{( {E - {\mu _{{\rm{L/R}}}}} )/{(k_{\rm{B}}}T)}}} \right] $表示左/右电极的费米-狄拉分布函数, kB为玻尔兹曼常数. 此外, 利用Landauer-Büttiker公式[56]计算系统电导,

      $G = \frac{{2{e^2}}}{h}\int {\frac{{{f_{\rm{L}}}\left( {E - {\mu _{\rm{L}}}} \right) - {f_{\rm{R}}}\left( {E - {\mu _{\rm{R}}}} \right)}}{{e{V_{\rm{R}}} - e{V_{\rm{L}}}}}T\left( {E,{V_{\rm{B}}}} \right)} {\rm{d}}E. $

    • 首先研究氮原子N的位置对同分异构喹啉分子嵌于石墨烯纳米带电极间的分子电子器件输运性质的影响, 其中氮原子N分别放置于编号1, 2, 3, 4, 5, 6 (如图1(a)所示). 研究结果表明, 氮原子N处在不同位置时, 器件电流-电压(I-V)曲线变化规律类似仅存在定量的变化. 因此, 图2中给出不同偏压下具有代表性的器件即氮原子N处在2, 3和5号位置时M1, M2和M3的I-V曲线和电导. 从图2(a)可以看出, 隧穿电流关于(0, 0)点对称, 电流在[–0.3 V, +0.3 V]范围内呈线性变化, 随着正(负)偏压绝对值的增大, 分子器件的透射谱和相应移动幅度的变化以及偏压窗的增大, 导致I-V曲线和电导呈现非线性特性. 电流在[–0.4 V, –0.9 V]和[+0.5 V, +0.8 V]范围内随着偏压的增大而减小, 呈现显著的负微分电阻效应. 此外, 如图2(b)所示, 随着偏压的变化, 电导与电流呈现类似的先增大后减小再增大的变化趋势.

      图  2  器件电流-电压(I-V)曲线(a)和电导(b)

      Figure 2.  The current-voltage (I-V) curve (a) and conductance (b) of the device.

      为进一步分析图2中电流-电压曲线和电导变化规律, 图3给出0, ± 0.4 V, ± 0.9 V以及 ± 1.5 V 偏压下器件M1, M2和M3的透射谱, 费米能级取为能量参考点, 偏压窗为[–VB/2, +VB/2]即图中的黑色虚线之间的区域. Landauer-Büttiker公式表明, 分子器件的电流可以通过对偏压窗内的透射系数积分得到[56]. 从图3(a)图3(c)可以看出, 零偏压下费米能级处存在透射峰, 器件是金属性的, 电流在0—±0.3 V低偏压范围内呈线性变化(如图2(a)所示); 零偏压下费米能级处的透射峰随着偏压的增加逐渐降低. 随着偏压的增加, 低于费米能级的第一隧穿峰逐渐增大并向费米能级方向移动, 导致随着偏压窗的增大, 积分面积呈现先增大后减小再增大的变化, 有力印证了图2中电流和电导随偏压的变化.

      图  3  器件(a) M1、(b) M2和(c) M3在0, ±0.4 V, ±0.9 V以及±1.5 V偏压下的透射谱, 图中的黑色虚线和阴影部分面积分别表示偏压窗和偏压窗内的透射系数积分面积

      Figure 3.  The transmission spectrum of the device (a) M1, (b) M2 and (c) M3 under the bias voltage of 0, ±0.4 V, ±0.9 V and ±1.5 V, where the (black) dashed lines and shaded area denote the bias window and the integrated area of the transmission coefficient in the bias window, respectively.

      将喹啉C9H5N分子平面往垂直纸面向里旋转方向定义为正, 图1(d)1(e)给出喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成0°和90°时的模型. 图4中给出M1器件喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成0°, 30°, 45°, 60°, 90°和–90°时的I-V曲线和电导. 在0—± 0.3 V偏压范围里, 如图4(a)中的方块标记的黑色实线、圆点标记的红色长虚线和上三角标记的蓝色短虚线所示, 喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成0°, 30°和45°时的I-V曲线呈线性变化, 但电流在偏压绝对值超过0.3 V后随着角度的增大迅速减小; 当喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成60°时, 如图4(a)中下三角标记的绿色点线所示, 电流在 ± 0.3 V偏压时大幅减小, 在 ± 0.8 V—± 1.2 V范围内趋近于0; 当喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成 ± 90°时, 如图4(a)中的菱形标记的紫色点虚线和左三角标记的黄色点线所示, 电流几乎为0, 即电流截止, 且喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成–90°时呈现与90°时同样的变化, 说明电流变化与喹啉分子平面旋转方向无关, 只与旋转的角度有关. 此外, 图4(b)中电导在偏压绝对值超过0.3 V后, 随着喹啉分子平面与石墨烯纳米带电极间夹角的增大迅速减小, 有力地印证了电流的变化规律.

      图  4  M1器件喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成0°, 30°, 45°, 60°, 90°和–90°的(a)I-V曲线和(b)电导

      Figure 4.  The (a) I-V curve and (b) conductance of the M1 device when the angle between the C9H5N molecule and graphene nanoribbon electrodes is 0°, 30°, 45°, 60°, 90° and –90°, respectively.

      为进一步解释图4中电流和电导变化规律, 图5给出0, ± 0.3 V, ± 0.9 V以及 ± 1.5 V偏压下喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成0°, 30°, 45°, 60°和90°的透射谱, 其中的黑色虚线和阴影部分面积分别表示偏压窗和偏压窗内透射系数的积分面积. 从图5(a)(d)可以看出, 在0偏压下费米能级处存在透射峰, 器件是金属性的, 电流在低偏压范围内呈线性变化(如图4(a)所示), 费米能级处的透射峰随着偏压的增加逐渐降低, 直至最后消失. 随着偏压的增加, 低于费米能级的第一和第二隧穿峰逐渐增强并向费米能级移动, 导致随着偏压窗的增大, 积分面积先增大后减小再增大, 从而解释了图4中电流和电导变化的原因以及负微分电阻现象. 当喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成60°角时, 积分面积在偏压为± 0.3 V附近大幅度减小, 当偏压增大到 ± 1.0 V时积分面积接近于0; 当喹啉C9H5N分子与石墨烯纳米带电极成90°时, 积分面积在所有偏压下趋于零, 即没有电流通过. 我们进一步研究了电极宽度对结果的影响, 发现电极宽度变大时, 所观测到的负微分电阻效应及开关效应仍然存在.

      图  5  偏压0, ± 0.3 V, ± 0.9 V以及 ± 1.5 V下喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极分别成 (a) 0°, (b) 30°, (c) 45°, (d) 60°和(e) 90°时的透射谱, 图中的黑色虚线和阴影部分面积分别表示偏压窗和偏压窗内透射系数积分面积

      Figure 5.  The transmission spectra for the angle between the C9H5N molecules and graphene nanoribbon electrodes is (a) 0°, (b) 30°, (c) 45°, (d) 60° and (e) 90°, respectively, under the bias voltage of 0, ± 0.3 V, ± 0.9 V and ± 1.5 V, where the (black) dashed lines and shaded area denote the bias window and the integrated area of the transmission coefficient in the bias window, respectively.

      图6中给出零偏压下喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成0°, 30°, 45°, 60°, 90°和–90°时的透射谱. 从图中可以看出, 喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成0°, 30°, 45°和60°角度时, 费米能级处均呈现尖锐的透射峰; 当喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成90°和–90°时, 透射谱在非常宽的带隙范围内为0, 很好地印证了图4中的电流-电压曲线以及电导变化规律.

      图  6  零偏压下, 喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成0°, 30°, 45°, 60°, 90°和–90°角度下的透射谱, 其中红色虚线表示费米能级

      Figure 6.  The transmission spectrum of the C9H5N molecule and the ZGNR electrodes at the angle of 0°, 30°, 45°, 60°, 90° and –90° under the 0 bias, where the (red) dashed line denotes the Fermi level.

      图7给出零偏压下喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成0°, 60°, 90°, –90°时的实空间电荷密度, 直观地展现电荷的分布情况. 从图7(a)图7(b)可以看出, 当喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成60°时, 中心区喹啉C9H5N分子电荷分布较多, 但是分子与电极连接处存在电荷缺口, 这就解释了喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成60°时, 电导在0偏压下较大但随着偏压的增加急剧减小的原因. 比较图7(c)图7(d)可以发现, 当喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成90°或–90°时, 中心区喹啉C9H5N分子电荷分布较多, 电极上电荷分布较少, 不利于电荷输运, 从另一方面解释了喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成90°或–90°, 电流几乎为0.

      图  7  零偏压下, 喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成 (a) 0°, (b) 60°, (c) 90°和(d) –90°时的实空间电荷密度

      Figure 7.  The real space charge density for the angle between the C9H5N molecule and graphene nanoribbon electrodes is (a) 0°, (b) 60°, (c) 90° and (d) –90°, respectively under the 0 bias voltage.

    • 利用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理计算方法, 系统地研究了通过碳原子连接的同分异构喹啉分子嵌于石墨烯纳米带电极间的分子电子器件输运性质. 研究结果表明: 器件电流在[–0.3 V, +0.3 V]范围内呈线性变化, 电流在[–0.4 V, –0.9 V]和[+0.5 V, +0.8 V]范围内随着偏压的增大而减小, 呈现显著的负微分电阻效应; 氮原子的位置对器件输运性质在定量上有一定的影响. 此外, 在0—± 0.3 V偏压范围内, 喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成0°, 30°和45°时的电流-电压曲线呈线性变化, 电流在偏压绝对值超过0.3 V以后随着角度的增大迅速减小; 当喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成60°时, 电流在 ± 0.3 V偏压时大幅减小, 在 ±0.8 V— ± 1.2 V范围内趋近于0; 当喹啉C9H5N分子平面与石墨烯纳米带电极成 ± 90°时, 电流截止. 以上研究结果得到偏压窗内透射系数的积分以及零偏压下实空间电荷密度分布等的有力印证和解释, 可为设计制作基于同分异构喹啉分子电子开关和负微分电阻器件提供理论依据.

参考文献 (56)

目录

    /

    返回文章
    返回