畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告.pdf

畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 開題報(bào)告 題目 具有自旋選擇電子輸運(yùn)特性的全碳分子器件設(shè)計(jì) 學(xué)院 電氣信息學(xué)院 專業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 2014 年 3 月 24 日 開題報(bào)告填寫要求 1 開題報(bào)告 含 文獻(xiàn)綜述 作為畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 答辯委 員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一 此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指 導(dǎo)下 由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 工作前期內(nèi)完成 經(jīng)指導(dǎo)教師簽 署意見及所在專業(yè)審查后生效 2 開題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按此電子文檔標(biāo)準(zhǔn) 格式 可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載 打印 禁止打印在其它紙上后剪貼 完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見 3 文獻(xiàn)綜述 應(yīng)按論文的格式成文 并直接書寫 或打印 在本開題報(bào)告第一欄目內(nèi) 學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于 10 篇 不包括辭典 手冊 其中至少應(yīng)包括 1 篇外文資料 對于重要 的參考文獻(xiàn)應(yīng)附原件復(fù)印件 作為附件裝訂在開題報(bào)告的最后 4 統(tǒng)一用 A4 紙 并裝訂單獨(dú)成冊 隨 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 說 明書 等資料裝入文件袋中 畢畢畢畢 業(yè)業(yè)業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè)設(shè)設(shè) 計(jì) 論計(jì) 論計(jì) 論計(jì) 論 文 開文 開文 開文 開 題題題題 報(bào)報(bào)報(bào)報(bào) 告告告告 1 文獻(xiàn)綜述 結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 課題情況 根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料 撰寫 2500 字以上的文獻(xiàn)綜述 文后應(yīng)列出所查閱的文獻(xiàn)資料 文獻(xiàn)綜述 石墨烯概念石墨烯概念 石墨烯 Graphene 是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料 是一種由碳 原子以 sp2 雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜 只有一個碳原子厚度的二維 材料 石墨的層間作用力較弱 很容易互相剝離 形成薄薄的石墨片 當(dāng)把石墨片剝 成單層之后 這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯 石墨烯目前是世上最薄卻 也是最堅(jiān)硬的納米材料 它幾乎是完全透明的 只吸收 2 3 的光 導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 5300 W m K 高于碳納米管和金剛石 常溫下其電子遷移率超過 15000 cm V s 又 比納米碳管或硅晶體高 而電阻率只約 10 6 cm 比銅或銀更低 為世上電阻率最 小的材料 因其電阻率極低 電子遷移的速度極快 因此被期待可用來發(fā)展更薄 導(dǎo) 電速度更快的新一代電子元件或晶體管 石墨烯的由來石墨烯的由來 20 世紀(jì)初 科學(xué)家開始接觸到石墨烯 石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu) 無法單獨(dú)穩(wěn)定存在 直至 2004 年 英國曼徹 斯特大學(xué)的物理學(xué)教授安德烈 杰姆 AndreGeim 和他的學(xué)生克斯特亞 諾沃消洛夫 Ko styaNovoselov 用簡單易行的膠帶分離法制備出了石墨烯 他們從石墨中剝離 出石墨片 然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上 撕開膠帶 把石墨片一分為二 不斷重復(fù)這樣的操作 于是薄片越來越薄 最后得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片 即石墨烯 1 石墨烯的結(jié)構(gòu)石墨烯的結(jié)構(gòu) 石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維 2D 周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) 它可以翹曲成零維 0D 的富勒烯 fullerene 卷成一維 1D 的碳納米管 carbon nano tube CNT 或者堆 垛成三維 3D 的石墨 graphite 因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元 石墨 烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán) 是目前最理想的二維納米材料 理想的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣 可以看作是一層被剝離的石墨分子 每個碳原 子均為 sp2 雜化 并貢獻(xiàn)剩余一個 p 軌道上的電子形成大 鍵 電子可以自由移動 賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性 二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以看是形成所有 sp2 雜化碳質(zhì)材料的基 本組成單元 石墨烯的電學(xué)特性石墨烯的電學(xué)特性 石墨烯具有超強(qiáng)導(dǎo)電性 電阻小 電子遷移快的特性 常溫下即可觀察到量子霍 耳效應(yīng) 常溫下其電子遷移率 超過 15000 cm V s 又比納米碳管或硅晶體 高 而 電阻率只約 10 6 cm 比銅或銀更低 為目前世上電阻率最小的材料 石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定 迄今為止 研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況 石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌 當(dāng)施加外部機(jī)械力時 碳原子面就彎曲變形 從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力 也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu) 使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性 石墨烯中的電子在軌道中移動時 不會因晶格缺陷或引 入外來原子而發(fā)生散射 由于原子間作用力十分強(qiáng) 在常溫下 即使周圍碳原子發(fā)生 擠撞 石墨烯中電子受到的干擾也非常小 石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強(qiáng)烈的相互作用 石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動速度達(dá)到了光速的 1 300 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在 一般導(dǎo)體中的運(yùn)動速度 這使得石墨烯中的電子 或更準(zhǔn)確地 應(yīng)稱為 載荷 子 electric charge carrier 的性質(zhì)和相對論性的中微子非常相似 石墨烯的應(yīng)用及發(fā)展前景石墨烯的應(yīng)用及發(fā)展前景 石墨烯應(yīng)用范圍廣闊 根據(jù)石墨烯強(qiáng)度超大 超薄 超導(dǎo)電 導(dǎo)熱的特性 它可 被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域 包括 太陽能電池 傳感器方面 納米電子學(xué) 高性能納電子 器件 復(fù)合材料 場發(fā)射材料 氣體傳感器及能量存儲 半導(dǎo)體領(lǐng)域等 石墨烯良好的電導(dǎo)性能和透光性能 使它在透明電導(dǎo)電極方面有非常好的應(yīng)用前 景 觸摸屏 液晶顯示 有機(jī)光伏電池 有機(jī)發(fā)光二極管等等 都需要良好的透明電 導(dǎo)電極材料 特別是 石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性都比常用材料氧化銦錫優(yōu)良 氧化銦 錫脆度較高 比較容易損毀 在溶液內(nèi)的石墨烯薄膜可以沉積于大面積區(qū)域 通過化 學(xué)氣相沉積法 可以制成大面積 連續(xù)的 透明 高電導(dǎo)率的少層石墨烯薄膜 主要 用于光伏器件的陽極 并得到高達(dá) 1 71 能量轉(zhuǎn)換效率 與用氧化銦錫材料制成的元件 相比 大約為其能量轉(zhuǎn)換效率的 55 2 石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)形態(tài) 使其具備目前世界上最硬 最薄的特征 同時也具有很 強(qiáng)的韌性 導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性 這些及其特殊的特性使其擁有無比巨大的發(fā)展空間 未 來可以應(yīng)用于電子 航天 光學(xué) 儲能 生物醫(yī)藥 日常生活等大量領(lǐng)域 石墨烯集 合世界上最優(yōu)質(zhì)的各種材料品質(zhì)于一身 故有業(yè)內(nèi)人士如此評價(jià) 如果說 20 世紀(jì)是硅 的世紀(jì) 石墨烯則開創(chuàng)了 21 世紀(jì)的新材料紀(jì)元 將給世界帶來實(shí)質(zhì)性變化 作為新興產(chǎn)業(yè) 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院石墨烯行業(yè)研究員李生發(fā)指出 石墨烯未來前途 一片光明 碳納米管簡介碳納米管簡介 碳納米管 簡稱 CNTs 英文名稱是 carbon nanotube 又名巴基管 碳納米管 是一種具有特殊結(jié)構(gòu) 徑向尺寸為納米量級 軸向尺寸為微米量級 管子兩端基本上都封口 的一維量子材料 碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu) 成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管 層與層之間保持固定的距離 約 0 34nm 直徑一般為 2 20 nm 根據(jù)碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形 扶手椅型和螺旋型三種 其中螺旋型的碳納米管具有手性 而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒有手性 實(shí)際上可 以理解為石墨烯片層卷曲而成 2 由來 1991 年日本 NEC 公司基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的電子顯微鏡專家飯島 Iijima 在高 分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時 意外發(fā)現(xiàn)了由管狀 的同軸納米管組成的碳分子 即碳納米管 碳納米管的結(jié)構(gòu)碳納米管的結(jié)構(gòu) 碳納米管具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征 構(gòu)成碳納米管的層片之間存在一定的夾 角碳納米管的管身是準(zhǔn)圓管結(jié)構(gòu) 并且大多數(shù)由五邊形截面所組成 管身由六邊形碳 環(huán)微結(jié)構(gòu)單元組成 端帽部分由含五邊形的碳環(huán)組成的多邊形結(jié)構(gòu) 或者稱為多邊錐 形多壁結(jié)構(gòu) 是一種具有特殊結(jié)構(gòu) 徑向尺寸為納米量級 軸向尺寸為微米量級 管 子兩端基本上都封口 的一維量子材料 它主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到 數(shù)十層的同軸圓管 3 層與層之間保持固定的距離 約為 0 34nm 直徑一般為 2 20nm 碳納米管常用分類碳納米管常用分類 單壁碳納米管 Single walled nanotubes SWNTs 由一層石墨烯片組成 單壁 管典型的直徑和長度分別為0 75 3nm 和 1 50 m 又稱富勒管 Fullerenes tubes 多壁碳納米管 Multi walled nanotubes MWNTs 含有多層石墨烯片 形狀象 個同軸電纜 其層數(shù)從 2 50 不等 層間距為 0 34 0 01nm 與石墨層間距 0 34nm 相當(dāng) 多壁管的典型直徑和長度分別為 2 30nm 和 0 1 50 m 目前單壁碳納米管存在三種類型的結(jié)構(gòu) 分為扶手式碳納米管 鋸齒形碳納米管 和手性碳納米管 這些類型的碳納米管的形成取決于碳原子的六角點(diǎn)陣二維石墨片是 如何 卷曲起來 形成圓筒形的 4 選石墨平面中任一碳原子 O 做原點(diǎn) 再選另一個碳原子A 從 O 到A的矢量為 R n a1 m a2 1 1 1 1 式中 n m 為整數(shù) 將石墨平面卷曲成一個圓柱 在卷曲過程中使矢量 R 末端的 碳原子A 與原點(diǎn)上的碳原子O 重合 然后在石墨圓柱的兩端罩上碳原子半球面 這樣就 形成了一個封閉的碳納米管 這樣形成的碳納米管可用 n m 這對整數(shù)來描寫 因 為這對整數(shù)一經(jīng)確定 碳納米管的結(jié)構(gòu)就完全確定 所以 把這對整數(shù)稱為碳納米管 的指數(shù) 當(dāng) m n 時即手性角 30 時 成為扶手型碳納米管 Armchair 當(dāng) m 0 或 n 0 時即手性角 0 時 成為鋸齒型碳納米管 Zigzag 當(dāng) 0 30 時 則成為手性型碳納米管 或螺旋型碳納米管 碳納米管的電學(xué)性質(zhì)碳納米管的電學(xué)性質(zhì) 碳納米管的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān) 由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同 所 以具有很好的電學(xué)性能 理論預(yù)測其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角 當(dāng) CNTS 的管徑大于 6mm 時 導(dǎo)電性能就下降 當(dāng)管徑小于 6mm 時 CNTS 可以被看成具有良好 導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線 5 碳納米管具有獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì) 這是由于電子的量子限域所致 電子有效的運(yùn)動只能在 單層石墨片中沿碳納米管的軸向方向 徑向運(yùn)動受到限制 因此其波矢是沿軸向的 計(jì) 算表明 單壁碳納米管的電學(xué)性質(zhì)與其手性矢量 R有關(guān) 當(dāng)式 1 中的 m 和 n 滿足 m n 3 k k 0 1 2 3 時 碳納米管是金屬性的 其它類型的單壁碳納米管是半導(dǎo)體性的 由公式 3 就其導(dǎo)電性而言 碳納米管可以是金屬性的 也可以是半導(dǎo)體性的 甚至 在同一根碳納米管上的不同部位 由于結(jié)構(gòu)的變化 也可以呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性 此 外 電子在碳納米管的徑向運(yùn)動受到限制 表現(xiàn)出典型的量子限域效應(yīng) 而電子在軸 向的運(yùn)動不受任何限制 因此 可以認(rèn)為碳納米管是一維量子導(dǎo)線 碳納米管的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景碳納米管的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景 由于具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì) 碳納米管在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用已引起 了各國科學(xué)家的普遍關(guān)注 我國碳納米管研究專家 中科院金屬研究所成會明研究員 報(bào)告 碳納米管本身所擁有的潛在優(yōu)越性 決定了它無論在物理 化學(xué)還是材料科學(xué) 領(lǐng)域都將有重大的發(fā)展前景 比如在材料科學(xué)領(lǐng)域 碳納米管的長度是其直徑的幾千 倍 被稱為 超級纖維 它的強(qiáng)度比鋼高 100 倍 但密度只有鋼的六分之一 它們 非常微小 5 萬個并排起來才有人的一根頭發(fā)那么寬 利用碳納米管可以制成高強(qiáng)度碳 纖維材料 利用碳納米管制成的復(fù)合材料不僅力學(xué)性能優(yōu)良 而且抗疲勞 材料尺寸 穩(wěn)定 滑動性能也不錯 在土木 建筑 海洋工程等方面被大量使用 成會明研究員 說 由于碳納米管壁能被某些化學(xué)反應(yīng)所 溶解 因而它們可以作為易于處理的模 具 用金屬灌滿碳納米管 然后把碳層腐蝕掉 還可以得到導(dǎo)電性能非常好的納米尺 度的導(dǎo)線 此外 利用碳納米管做為鋰離子電池的正極和負(fù)極可以延長電池壽命 改 善電池的充放電性能 碳納米管還被認(rèn)為是制造新一代平面顯示屏的好材料 中科院 金屬所李峰博士說 目前的電視都是利用電子槍向屏幕發(fā)射電子來成像的 如果使用 具有高度定向性的單壁碳納米管作為電子發(fā)送材料 不但可以使屏幕成像更清晰 而 且可以縮短電子到屏幕之間的距離 從而制成更薄的電視機(jī) 在能源科學(xué)方面 碳納 米管也有著廣泛的應(yīng)用 李峰博士說 碳納米管可以在較低的氣壓下存儲大量的氫元 素 利用這種方法制成的燃料不但安全性能高 而且是一種清潔能源 在汽車工業(yè)將 會有廣闊的發(fā)展前景 不過 這種技術(shù)目前還不成熟 國際上也有專家對此不太認(rèn)同 總的說來 雖然雙壁 單壁碳納米管有更好的性能 但是因?yàn)槎啾谔技{米管容易 生產(chǎn)而且成本很低 將來的碳納米管產(chǎn)業(yè)還是會以多壁碳納米管為主 雙壁 單壁碳 納米管會以電子行業(yè) 試劑 航天 軍事方面的應(yīng)用為主 雖然我國碳納米管研究起 步比較晚 但發(fā)展迅速 目前我國在儲氫和單壁納米材料的制備上都走在了世界的前 列 6 隨著對碳納米管研究的不斷深入 它在實(shí)際生活方面的應(yīng)用前景將會更加廣闊 能帶簡單介紹能帶簡單介紹 能帶是一種近似的結(jié)果 可以看成一種近似 是周期邊界條件 bloch 函數(shù) 下的一種近似 一個原子的一個原子軌道在一維周期條件下將產(chǎn)生一條能帶 能帶的帶寬取決于 這些原子軌道的在周期方向上的成鍵強(qiáng)度 強(qiáng)度越大 帶寬越大 成鍵越弱 帶寬越 小 如果周期方向上沒有成鍵 能帶將是一條直線 另外能帶是向上伸展還是向下伸 展取決于原子軌道的特性 或者說是體系的拓補(bǔ)性質(zhì) 7 態(tài)密度簡單介紹態(tài)密度簡單介紹 能帶結(jié)構(gòu)的縱坐標(biāo)是能量 假如在這個坐標(biāo)軸上取 E 這一個很小能量范圍 比 如0 005000 0 005001eV 這個范圍 那么這個能量間隔范圍內(nèi)又多少個能級 或者 說又多少個原子軌道 分子軌道 呢 別忘了 能帶是怎么來的 是無數(shù)個能級 壓 縮 而成的 而且能帶是量子化的 所以在這個能量范圍必然又一定數(shù)量的能級 軌 道 存在 8 所以從這里開始 不再談?wù)搯蝹€的原子軌道或能級了 因?yàn)檫@沒有什么 意義 而是我們將這一能量范圍內(nèi)的能級作為一組來考慮 所以態(tài)密度的概念就得出 來了 即E dE 這個能量范圍內(nèi)的能級數(shù) 如果E dE 這個能量范圍內(nèi)軌道 能級數(shù) 越多越密集 態(tài)的密度越大 所以說態(tài)密度的概念是很貼切的 要注意態(tài)密度是根據(jù)能帶得來的 兩者有一定的對應(yīng)關(guān)系 沒有能帶 沒有能級 就沒有抬密度所以這時候態(tài)密度圖在這個能量范圍內(nèi)將是0 從這里可以得到一個結(jié) 論 能帶按照縱坐標(biāo)軸投影過去 就得到態(tài)密度 所以態(tài)密度為0 的地方 能帶圖上 一定沒有能帶經(jīng)過 能帶越平 態(tài)密度峰越尖銳 能帶越寬 態(tài)密度越平緩 離域性 越強(qiáng) 9 對于態(tài)密度需要注意 第一 對態(tài)密度曲線的積分等于電子數(shù) 比如體系由10 個電子 10 個電子肯定 是按照能量從低到高的順序排列 那么對態(tài)密度進(jìn)行積分 當(dāng)電子數(shù)達(dá)到10 的時候 這個地方就是fermi 能級 積分曲線可以用origin 做 第二 偏態(tài)密度積分至fermi 能級得到某一個原子某一個軌道的電子填充的數(shù)目 第三 如果成鍵作用加強(qiáng) 那么成鍵分子軌道要下移 反鍵分子軌道要上移 導(dǎo) 致態(tài)密度要發(fā)生移動 一個向下移動 一個向上移動 而能帶則變寬 第一性原理簡單介紹第一性原理簡單介紹 第一性原理計(jì)算 the first principles calculations 是指從所研究材料的結(jié) 構(gòu)出發(fā) 運(yùn)用量子力學(xué)及其它基本物理規(guī)律通過自洽計(jì)算出體系的電子結(jié)構(gòu) 從而確 定材料的力 熱 光 磁 電學(xué)性質(zhì)等 這是一種在計(jì)算過程中不包括經(jīng)驗(yàn)參數(shù) 實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù) 而只涉及到體系的化學(xué)元素基本量 以及光速c 普朗克常數(shù)h 電子電荷e 等基本物理常量的方法 所涉及的物理規(guī)律主要包括量子力學(xué)的基本方程薛定諤方程 相對論效應(yīng) 電磁相互作用關(guān)系 能量最低原理等 可是第一性原理要解多體多電子 體系的Schr odinger 方程 在實(shí)際應(yīng)用中 只能在各種近似條件下求解 10 雜化密度泛函雜化密度泛函 由于KH DFT 框架難以處理的交換相關(guān)能中 其交換能部分可以在Hartree Fock 框架下得到很好的描述 因此 可以把Hartree Fock 的計(jì)算的實(shí)際交換能做為KH DFT 方法中的交換能的一部分 這樣可以更好地描述分子的許多屬性如 離散能 鍵長 振動頻率等這些以前描述得不在好的性質(zhì) 在這基礎(chǔ)上發(fā)展起來的泛函叫雜化密度泛 函 以B3LYP Becke three parameter Lee Yang Parr 最為出名 11 它的交 換相關(guān)項(xiàng)是這樣線性組合 EEEEEEEE LDA C GGA C c LDA X GGA X X LDA X HF x LDA XC LYPB XC aaa 0 3 而成的 式中a0 ax ac是三個經(jīng)驗(yàn)參數(shù) 其值分別為0 20 0 72 0 81 這些都是 通過對大量測試原子做離散能 電離能 親和能 總能量計(jì)算后 擬合而成的參數(shù) 雖然這樣做對計(jì)算精度明顯有幫助 但這到底不是一種系統(tǒng)地增加精度的方法 還有 它對長程相關(guān)的問題也一樣不能精確地描述 當(dāng)分子處于矢量勢場如磁場中時 基態(tài) 電荷密度和基態(tài)波函數(shù)之間就失去了標(biāo)量場中的那種一對一的關(guān)系 磁場的效應(yīng)導(dǎo)致 電流密度泛函理論 CDFT 和磁場密度泛函理論 BDFT 的出現(xiàn) 在CDFT 交換 相關(guān)泛函由電荷密度和順磁電流密度共同決定 而在BDFT 中 泛函則由電荷密度和磁 場共同決定 均勻電場下的半金屬性和自旋極化均勻電場下的半金屬性和自旋極化 通過第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn) 鋸齒型石墨烯納米帶具有半金屬性 其實(shí)現(xiàn)條件是在 其邊緣平面內(nèi)添加均勻電場 且它的磁性由外部磁場控制 鋸齒型石墨烯納米帶被中端的兩邊緣有特殊的邊緣局域電子態(tài) 從邊緣到帶中心 其能量呈指數(shù)衰減 衰變率取決于它的動量 12 這種狀態(tài)已經(jīng)用探針技術(shù)掃描觀察到石墨烯的單層原子臺階邊緣狀態(tài) 在費(fèi)米能 級附近邊緣狀態(tài)形成了雙方蛻變的平帶 總自旋為零 化學(xué)修飾的化學(xué)修飾的 ZGNRsZGNRs 邊緣極化和半金屬性邊緣極化和半金屬性 在官能團(tuán)潛在誘導(dǎo)的效果下 邊緣碳 軌道發(fā)生偏移表明 邊緣化學(xué)修飾可導(dǎo)致 ZGNRs 的自旋選擇性 當(dāng)電勢差足夠大時 導(dǎo)帶和價(jià)帶能帶在一個自旋區(qū)域重疊 鋸齒型石墨烯納米帶 變成半金屬性 這已經(jīng)通過第一性原理得到驗(yàn)證計(jì)算 建模建模 Materials Studio 是專門為材料科學(xué)領(lǐng)域研究者開發(fā)的一款可運(yùn)行在PC上的模擬 軟件 它可以幫助我們解決當(dāng)今化學(xué) 材料工業(yè)中的一系列重要問題 Materials Studio 使化學(xué)及材料科學(xué)的研究者們能更方便地建立三維結(jié)構(gòu)模型 并對各種晶體 無定型 以及高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過程進(jìn)行深入的研究 13 優(yōu)化優(yōu)化 VASP 是使用贗勢和平面波基組 進(jìn)行從頭量子力學(xué)分子動力學(xué)計(jì)算的軟件包 它 基于 CASTEP 1989 版開發(fā) VAMP VASP 中的方法基于有限溫度下的局域密度近似 用 自由能作為變量 以及對每一 MD 步驟用有效矩陣對角方案和有效 Pulay 混合求解瞬 時電子基態(tài) 這些技術(shù)可以避免原始的 Car Parrinello 方法存在的一切問題 而后者是 基于電子 離子運(yùn)動方程同時積分的方法 離子和電子的相互作用超緩 Vanderbilt 贗勢 US PP 或投影擴(kuò)充波 PAW 方法描述 兩種技術(shù)都可以相當(dāng)程度地減少過渡金屬或第 一行元素的每個原子所必需的平面波數(shù)量 力與張量可以用 VAMP VASP 很容易地計(jì) 算 用于把原子衰減到其瞬時基態(tài)中 14 計(jì)算計(jì)算 Atomistix ToolKit 一個能模擬納米結(jié)構(gòu)體系和納米器件的電學(xué)性質(zhì)和量子輸運(yùn) 性質(zhì)的第一性原理電子結(jié)構(gòu)計(jì)算程序 對于所模擬的納米器件的電極 它可以是納米 管或金屬 對于所模擬的納米結(jié)構(gòu)體系 它可以是兩種不同材料形成的界面區(qū) 或界 于兩個金屬表面之間的分子 ATK 是由 Atomistix 公司在 McDCal SIESTA 和 TranSIESTA 等電子結(jié)構(gòu)計(jì)算程序包的基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)代軟件工程原理開發(fā)出來的第一個商用的模擬 電子輸運(yùn)性質(zhì)的大型計(jì)算軟件 它的前身是 TranSIESTA C 目前版本 2 0 4 的 ATK 采用 C 和 C 高級語言來編寫核心的庫代碼 即將在 2006 年 12 月發(fā)布的 ATK2 1 版本 并在此基礎(chǔ)上提供了 Python 腳本語言編寫的各種函數(shù)接口 用戶可以利用所提供的函 數(shù)接口采用 Python 腳本語言來編寫和實(shí)現(xiàn)特定的計(jì)算功能和數(shù)據(jù)處理 15 基于密度泛函理論 ATK 實(shí)現(xiàn)了贗勢法和原子軌道線性組合方法等現(xiàn)代電子結(jié)構(gòu)計(jì) 算方法 在此基礎(chǔ)上 它利用非平衡格林函數(shù)方法來處理納米器件在外置偏壓下的電 子輸運(yùn)性質(zhì) 因此它能處理納米器件中的兩個電極具有不同化學(xué)勢時的情況 能計(jì)算 納米器件在外置偏壓下的電流 穿過接觸結(jié)的電壓降 電子透射波和電子的透射系數(shù) 等等 ATK 也實(shí)現(xiàn)了自旋極化的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法 因此它也可以處理納米器件中相關(guān) 的磁性和自旋輸運(yùn)問題 除此之外 ATK 也能進(jìn)行傳統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算 處理孤立的分 子體系和具有周期性的體系 另外 ATK 也采用非常有效和穩(wěn)定的算法來精確地計(jì)算原 子所受的力并優(yōu)化體系的幾何結(jié)構(gòu) 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 樸玲鈺 李永丹 納米碳管的研究進(jìn)展 J 化工進(jìn)展 2001 20 11 18 22 2 朱宏偉 吳德海 徐才錄等 碳納米管 M 機(jī)械工業(yè)出版社 2003 3 韓強(qiáng) 姚小虎 碳納米管的原子模擬和連續(xù)體描述 M 科學(xué)出版社 2007 4 朱宏偉 石墨烯 結(jié)構(gòu) 制備方法與性能表征 M 清華大學(xué)出版社 2011 5 Dimitrios Tasis Nikos Tagmatarchis Alberto Bianco et al Chemistry of Carbon Nanotubes J Chem Rev 2006 106 1105 1136 6 哈里斯 Peter J Harris 碳納米管科學(xué) 合成 性質(zhì)與應(yīng)用 導(dǎo)讀版 M 科學(xué)出版社 2010 7 法國 洛伊斯 Loiseau A 碳納米管 從基礎(chǔ)到應(yīng)用 M 科學(xué)出版社 2008 8 R Saito 碳納米管的物理特性 英文版 M 世界圖書出版公司 2003 9 李小飛 等論文 基于碳基分子體系電荷輸運(yùn)的量子調(diào)控機(jī)理與應(yīng)用研究 2012 10 美國 R 霍夫曼著 郭洪煪 李靜 譯 王作新 鄭沖 校 固體與表面 北京 工業(yè)出版社 11 朱紹文 賈志杰 李鐘澤 等 碳納米管及其應(yīng)用前景 J 科技導(dǎo)報(bào) 1999 12 Salvetat J P Andrew G Driggs D et al Elastic and Shear Moduli of Single2walled Carbon Nanotube Ropes Phys Rev Lett 1999 82 944 13 Berger C et al Electronic confinement and coherence in patterned epitaxial graphene Science 312 1191 1196 2006 14 Wakabayashi K Fujita M Ajiki H Sigrist M Electronic and magnetic properties of nanographite ribbons Phys Rev B 59 8271 8282 1999 15 Niimi Y et al Scanning tunneling microscopy and spectroscopy of the electronic local density of states of graphite surfaces near monoatomic step edges Phys Rev B 73 085421 2006 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì) 論計(jì) 論 文 開文 開 題題 報(bào)報(bào) 告告 開題報(bào)告開題報(bào)告 一一 課題的目的與意義課題的目的與意義 二二 課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望 三 課題主要內(nèi)容和要求 四 三 課題主要內(nèi)容和要求 四 研究方法 步驟和措施研究方法 步驟和措施 開題報(bào)告開題報(bào)告 課題的目的與意義課題的目的與意義 本課題為具有自旋選擇電子輸運(yùn)特性的全碳分子器件設(shè)計(jì) 它是基于石墨烯碳納 米管電子輸運(yùn)特性的研究 在前人的對納米帶邊緣狀態(tài)研究的基礎(chǔ)上 提出并進(jìn)行一 個驗(yàn)證的過程 這個課題的研究完成了對納米電子學(xué)科的一個深入了解 學(xué)習(xí)了石墨烯 納米帶 和碳納米管等新型材料 我們所設(shè)計(jì)的全碳分子異質(zhì)結(jié)器件 其主要目的在于能夠?qū)?現(xiàn)自旋選擇輸運(yùn) 但是這個早已被前輩所實(shí)現(xiàn) 但是已有的研究都有弊端 需要很大 的電勢差或者需要參入雜質(zhì) 所以我們所做的更進(jìn)一步 是純碳結(jié)構(gòu) 更避免了上面 所帶來的問題 有利于控制自旋選擇的輸運(yùn)特性 同時實(shí)現(xiàn)零偏壓下實(shí)現(xiàn) 且不參雜 所以我們的意義就在于此 探索新的領(lǐng)域 勇于創(chuàng)新 本文就其電子輸運(yùn)特性進(jìn)行了研究 并在這基礎(chǔ)之上提出一個新的概念 即具有 自旋選擇輸運(yùn)特性的全碳分子異質(zhì)結(jié)器件 其目的在