CN103066107A - 一种并联型石墨烯纳米条带结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并联型石墨烯纳米条带器件结构。该结构近似一个“中”字形，上下两头部分为完全对称的电极部分，电极的长度和宽度均为2个晶胞；中间为并联型纳米石墨烯条带，最外两侧是Armchair型的石墨烯条带，而并联型纳米石墨烯条带之间的连接则是采用横向的纳米石墨烯条带，边缘为Zigzag型石墨烯条带，其中，电极、并联型纳米石墨烯条带、横向的纳米石墨烯条带的长度和宽度都可以改变。结果表明，随着两侧并联纳米条带数量的增加，石墨烯纳米条带电导峰将有相应数量的增加，其开关特性得到提高；随着条带之间的间距增宽，中心区电导谷的宽度将减小，其开关特性同样得到提高。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯纳米条带器件领域，尤其是涉及其并联结构的石墨烯纳米条带器件结构。
背景技术
近年来，石墨烯(Graphene)的出现在科学界激起了巨大的波澜，由于自身的优越性质而被认为是未来最有发展潜力的碳纳米材料之一。石墨烯具有很高的电子迁移率和高导电性，利用石墨烯制作的晶体管不仅体积小、功耗低、对工作环境的要求低，并且易于设计成各种结构。然而，由于石墨烯是零带隙材料，其费米能是呈线性分布的，因此它并不适合直接应用到晶体管中。不过可以将石墨烯按照一定方向切割成条带的方法来产生带隙 [HAN M Y, OZYILMAZ B, KIM
P, et al. Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons[J]. Phys Rev
Lett, 2007, 98(20): 206-805.]，并可以通过条带的宽度来控制带隙的大小(带隙的大小与条带宽度成反比)。从器件的角度上看，将石墨烯作为基本材料制成的电学器件具有较硅基器件更优越的电学性能和尺寸缩小前景，因而石墨烯纳米器件被认为是构建未来纳电子系统中最具潜力的基本元件。尽管如此，由于A-GNRs(Armchair GNR)的带隙依条带宽度的不同而不同，因此以不同尺寸结构GNR制作的电学器件，其应用领域也有很大差异。研究表明，不同尺寸，不同结构的纳米条带制作的电学器件具有不同的电学特性，美国Cornell大学的J. H. Bardarson等人在常规的石墨烯条带中挖去各种形状的空缺，有圆形、椭圆、矩形和菱形的空缺，分析了各种形状的空缺的石墨烯条带，研究它们的电导随空缺结构的变化而呈现不同特征 [F. Guinea. Spin-orbit
coupling in a graphene bilayer and in graphite [J]. New J. Phys. 2010, 12(8):
083063.]，德国Regensburg大学的J Wurm和M Wimmer等人提出一种环形的石墨烯器件结构，他们计算了该器件模型在不同磁通下的隧穿率，发现在低磁通的情况下石墨烯环的电导峰起落比高磁通时剧烈 [J. Wurm, M. Wimmer, H.
U. Baranger, et al. Graphene rings in magnetic fields: Aharonov-Bohm effect and
valley splitting [J]. Semicond. Sci. Technol. 2010, 25(3): 034003.]。
受智利Tecnica Federico Santa Marıa大学的L. Rosalesa和M. Pachecoa等人提出了一种梳子形状的石墨烯条带结构，通过研究发现，在锯齿数增加时，其局域态密度随费米能变化剧烈，电导呈现出越来越明显的开关特性[L. Rosalesa, M. Pachecoa,
Z. Barticevica, et al. Conductance of armchair GNRs with side-attached organic
molecules [J]. Microelectron. J. 2010, 23(12): 2692-2695.] 和巴西Estaual De Campinas大学的D. A. Bahamon等人提出了在石墨烯条带中参杂规则的缺位，从而组成一种有规则的缺位石墨烯纳米条带，并研究了此条带的态密度随费米能的变化规律，研究了不同宽度和缺位宽度下条带的能带结构变化，电导呈现出相似的变化规律 [D. A. Bahamon, A. L. C.
Pereira, P. A. Schulz. A third edge for a graphene nanoribbon [J]. IEEE
Electron. Dev. Lett. 2010, 47 (21) : 1797 - 1799.]的启发，这里提出一种并联型石墨烯纳米条带器件结构。由于目前石墨烯器件的仿真还处于探索阶段，且目前很少有文献涉及这种新型结构石墨烯纳米条带器件电学特性的研究。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种并联型石墨烯纳米条带结构，本发明在紧束缚模型下，采用Green函数方法和Landauer-Büttiker公式，对不同结构的并联型石墨烯纳米条带器件电学特性进行了数值计算与仿真，计算它们能级分布、电导特性等电学特性。并为设计和实现具有优良性能的基于石墨烯的纳米电子器件提供理论依据。
技术方案：本发明的一种并联型石墨烯纳米条带结构是：该结构近似一个“中”字形，上下两头部分为完全对称的电极部分，电极的长度和宽度均为2个晶胞；中间为并联型纳米石墨烯条带，最外两侧是Armchair型的石墨烯条带，而并联型纳米石墨烯条带之间的连接则采用的是横向的纳米石墨烯条带（边缘为Zigzag型石墨烯条带），如以上图形中连接并联石墨烯条带两头的上下两条横向的石墨烯条带；其中，电极、并联型纳米石墨烯条带、横向的纳米石墨烯条带的长度和宽度都可以改变。
所述并联型纳米石墨烯条带数量是可变的，其中长度应和最中间的石墨烯条带长度相同，宽度与最中间的石墨烯条带宽度相同或不同；并联型纳米石墨烯条带的数量为相同或不同；
所述并联型纳米石墨烯条带之间的间隔是可变的，两边可以保持对称或不等的间隔。
有益效果：采用紧束缚近似模型，运用Green函数和Landauer-Büttiker公式计算了并联型Armchair型边界的石墨烯纳米条带的电子输运性质。结果表明，随着两侧并联纳米条带数量的增加，石墨烯纳米条带电导峰（电导谷）将有相应数量的增加，其开关特性得到提高；随着条带之间的间距增宽，中心区电导谷的宽度将减小，其开关特性得到提高。
附图说明
图1 是并联型石墨烯纳米条带器件结构示意图，
图2-2a 是石墨烯条带两侧有2条宽度为1晶胞的石墨烯纳米条带，
图2-2b 是石墨烯条带两侧有4条宽度为1晶胞的石墨烯纳米条带，
图2-2c 是石墨烯条带两侧有6条宽度为1晶胞的石墨烯纳米条带，
图3-3a 是石墨烯纳米条带两侧的条带与中间条带的距离为0晶胞，
图3-3b 是石墨烯纳米条带两侧的条带与中间条带的距离为1晶胞，
图3-3c 是石墨烯纳米条带两侧的条带与中间条带的距离为2晶胞，
图3-3d 是石墨烯纳米条带两侧的条带与中间条带的距离为3晶胞。
具体实施方式
本发明的一种并联型石墨烯纳米条带结构是：该结构近似一个“中”字形，上下两头部分为完全对称的电极部分，电极的长度和宽度均为2个晶胞；中间为并联型纳米石墨烯条带，最外两侧是Armchair型的石墨烯条带，而并联型纳米石墨烯条带之间的连接则采用的是横向的纳米石墨烯条带（边缘为Zigzag型石墨烯条带），如以上图形中连接并联石墨烯条带两头的上下两条横向的石墨烯条带；其中，电极、并联型纳米石墨烯条带、横向的纳米石墨烯条带的长度和宽度都可以改变。
所述并联型纳米石墨烯条带数量是可变的，其中长度应和最中间的石墨烯条带长度相同，宽度与最中间的石墨烯条带宽度相同或不同；并联型纳米石墨烯条带的数量为相同或不同；
所述并联型纳米石墨烯条带之间的间隔是可变的，两边可以保持对称或不等的间隔。
考虑一个具有Armchair型石墨烯纳米条带，中间部分为并联形石墨烯条带主体，上下两部分为同型石墨烯电极，系统采用紧束缚近似（tight-banding）模型描述。
其哈密顿量可以表示为：
（1）
其中，
和
表示电子在格点
上的湮灭算符和产生算符，为在位能量，
表示电极哈密顿量。在最近邻近似条件下，求和
指的是两个相邻原子间的求和，而为邻近碳原子之间的跃迁能。理想条件下，可以取在位能量
，
。
在电导的计算中，把整个系统分为三个部分。中间主体部分为Armchair型石墨烯纳米条带；上下两部分为无限长的Armchair型石墨烯电极。基于Landauer公式计算出电导如下：
其中：
其中，e是电子电量，h是普朗克常量，
表示在位能量，
是中间主体部分的哈密顿量，
是上电极（下电极）和中间区的耦合矩阵，
是
的逆矩阵，
表示正无穷小量。
和
分别是无限长的上电极和下电极的格林函数，并且各自通过微扰迭代来计算。
两侧石墨烯条带数量的变化对系统电导特性的影响：
随着两侧纳米条数量的增加，中心区的宽度会有相应程度的缩小；而中心区的电导峰（电导谷）的数量也会有相应数量的增加，其开关特性得到明显提高。
并联石墨烯条带之间距离的变化对其系统电导特性影响：
随着条带间距的增大，中心区矩形电导谷会变窄，两侧的电导谷会增宽，其开关特性也得到提高。
Claims (3)
1. 一种并联型石墨烯纳米条带器件结构，其特征在于该结构近似一个“中”字形，上下两头部分为完全对称的电极部分，电极的长度和宽度均为2个晶胞；中间为并联型纳米石墨烯条带，最外两侧是Armchair型的石墨烯条带，而并联型纳米石墨烯条带之间的连接则是采用横向的纳米石墨烯条带，边缘为Zigzag型石墨烯条带，其中，电极、并联型纳米石墨烯条带、横向的纳米石墨烯条带的长度和宽度都可以改变。
2. 根据权利要求1所述的一种并联型石墨烯纳米条带器件结构，其特征在于所述并联型纳米石墨烯条带数量是可变的，其中长度应和最中间的石墨烯条带长度相同，宽度与最中间的石墨烯条带宽度相同或不同；并联型纳米石墨烯条带的数量为相同或不同。
3. 根据权利要求1所述的一种并联型石墨烯纳米条带器件结构，其特征在于所述并联型纳米石墨烯条带之间的间隔是可变的，两边可以保持对称或不等的间隔。
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