CN106298867A - 基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料及其制备方法。在本发明的一实施方案之中，利用使用基于密度泛函理论的第一性原理方法，首先优化边缘氢化的理想锯齿形锗烯纳米带，然后研究异质掺杂对锯齿形锗烯纳米带自旋特性的影响，通过引入硼氮共掺杂并改变掺杂位置来调控锗烯纳米带的自旋特性，并与理想锯齿形锗烯纳米带作比较，从而得到具有半金属特性的锗烯纳米带。本发明无需通过加外电场或交换场等外场的作用来调节锯齿形锗烯纳米带的自旋特性，只需通过调节掺杂原子之间的距离就能够实现具有半金属特性的锗烯纳米带，从而可方便的实现基于锗烯纳米带的自旋电子器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种锗烯纳米材料的制备工艺，特别涉及一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料及其制备方法，属于电子技术领域。
背景技术
近几十年来，随着科学技术的不断进步，研究人员在硅基电子器件方面取得了巨大的成就，并且已经将其广泛地应用到了与计算机相关的各个领域，从其发展趋势来看，电子器件尺寸的小型化是其发展的显著特征。事实上，集成度更高、反应更快、功耗更低的电路都是通过硅基晶体管持续的小型化得到的。目前，超大规模集成电路技术中电子芯片的集成度已非常高，且集成线路的线宽也已经下降到数十纳米，这已经非常接近传统硅基材料物理尺度的理论极限。为了突破制约科学技术发展的瓶颈，人们已经开始进行不断的探索包括新材料在内的各种可能的解决方案。
传统微电子器件仅仅利用载流子的电荷属性，而作为新兴研究热点的自旋电子学同时利用了电子的自旋属性，将信息的传输和存储结合起来，有利于器件的高密度集成，可以进一步降低能耗，提高速度。锗烯正是具有这种性质的重要材料，它由单层原子厚度的蜂窝状碳原子组成，与石墨烯、硅烯相比，锗烯具有更大的自旋轨道耦合能隙，无疑使得锗烯具有量子自旋霍尔效应的性质。研究发现通过掺杂，锗烯的高温超导性质也被预测出来。但是，现有的半金属性锗烯材料制备工艺中，大多需要通过加外电场或交换场等外场的作用来调节锯齿形锗烯纳米带的自旋特性，因此会带来诸多的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料及其制备方法，从而克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料，其包括具有锯齿形边缘且边缘氢化的锗烯纳米带，所述锗烯纳米带中于不同位置共掺杂有硼氮原子，使所述锗烯纳米带呈半金属特性。
进一步的，所述锗烯纳米带中于中间的选定格点处取代掺杂有氮原子，与该选定格点次邻位置掺杂有硼原子，且氮原子与硼原子之间具有设定距离，使所述锗烯纳米带呈半金属特性。
其中，随着掺杂氮、硼原子距离的变化，一种方向的自旋能隙增大，而另一方向的自旋能隙减少，最终一种方向的自旋具有能隙，而另一方向的自旋能隙关闭，使得锗烯纳米带具有半金属特性。
进一步的，所述锗烯纳米带的锯齿形边缘的锗原子被氢原子钝化。
一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备方法，其特征在于包括：
外延生长形成锗烯，并将所述锗烯裁剪成纳米带，
刻蚀所述纳米带，使所述纳米带的边缘呈锯齿形，获得锯齿形锗烯纳米带；
利用离子注入的方法对所述锯齿形锗烯纳米带进行硼氮原子共掺杂，其中在所述锗烯纳米带中的中间的选定格点处取代掺杂有氮原子，与该选定格点次邻位置掺杂有硼原子，且使氮原子与硼原子之间具有设定距离，进而使得锗烯纳米带具有半金属特性。
在一实施方案之中，所述制备方法还包括：采用外延方法在Pt(1 1 1)面上生长形成锗烯。
在一实施方案之中，所述制备方法还包括：采用电子束刻蚀技术将所述锗烯裁剪成纳米带。
在一实施方案之中，所述制备方法还包括：采用光刻和/或氢等离子刻蚀方法刻蚀所述纳米带，获得锯齿形锗烯纳米带，且使锯齿形边缘的锗原子被氢化。
采用前述方法制备的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料。
一种自旋电子器件，其包含所述的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料。
较之现有技术，本发明的优点包括：无需通过加外电场或交换场等外场的作用来调节锯齿形锗烯纳米带的自旋特性，只需通过调节掺杂原子之间的距离就能够实现具有半金属特性的锗烯纳米带，从而方便的实了基于锗烯纳米带的自旋电子器件。
附图说明
图1是本发明理想的锯齿形锗烯纳米带超元胞图；
图2是本发明一典型实施例中锯齿形锗烯纳米带掺杂前后的自旋态密度图；
图3是本发明一典型实施例中BN6结构锗烯纳米带的自旋态密度图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案与技术效果更易于明白了解，下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。
鉴于现有技术的缺陷，本发明主要是利用基于密度泛函的第一原理方法，首先模拟计算边缘氢化的理想锯齿形锗烯纳米带，然后研究在引入硼氮共掺杂的情况下锯齿形锗烯纳米带的自旋相关的特性，并通过调节掺杂原子之间的距离来调控锗烯纳米带的自旋特性，并与理想锯齿形锗烯纳米带比较，进而得以提出实现半金属特性锯齿形锗烯纳米带的一种可行方法。
具体而言，在本发明的一实施方案之中，首先建立并研究了包含理想锯齿形锗烯纳米带的模型。请参阅图1所示是本发明理想锯齿形锗烯纳米带的超元胞图，其中，边缘锗原子被氢化，图中的数字1、2、3、4、5、6、7、8，9表示掺杂原子所在位置，其中1位置是氮原子的位置，2、3、4、5、6、7、8，9分别为硼原子随着掺杂原子距离的变化所在的位置。再请参阅图1，这里宽度上有十个锯齿形锗链，记为Per，其宽度值约为3.3nm。所有的边缘锗原子用氢原子饱和，以消除边缘锗原子的悬浮键。弛豫后，该Per模型保持翘曲结构。
在本发明的一典型实施例中，本案发明人考量了八种不同的元胞研究取代掺杂位置的变化对其自旋特性的影响，并与理想的锯齿形锗烯纳米带做比较。
在该实施例中，是利用基于密度泛函理论的Spanish Initiative for ElectronicSimulations with Thousands of Atoms(SIESTA)工具包来进行结构优化和电子学性能的计算，以及使用广义梯度近似(GGA)和双轨域指数(double-zeta)极化基组(DZP)。其中，能量和力的收敛标准分别设定为1×10-5eV和K点采样为1×15×1，截止能量为200Ry，电子温度固定在300K。
一般来说，判断材料是否具有半金属特性的方法之一是计算其自旋态密度。参阅图2所示是该实施例中锯齿形锗烯纳米带掺杂前后的自旋态密度图，其中Per表示理想锯齿形锗烯纳米带；BN1表示氮、硼原子分别掺杂在位置1、2；BN2表示氮、硼原子分别掺杂在位置1、3；BN3表示氮、硼原子分别掺杂在位置1、4；BN4表示氮、硼原子分别掺杂在位置1、5；BN5表示氮、硼原子分别掺杂在位置1、6；BN6表示氮、硼原子分别掺杂在位置1、7；BN7表示氮、硼原子分别掺杂在位置1、8；BN8表示氮、硼原子分别掺杂在位置1、9；费米能级用虚线标示。
请继续参阅图2：对于Per结构，也就是具有十条锗链的理想锯齿形锗烯纳米带，不同方向的自旋都具有半导体特性，其能隙均为0.11eV；对于BN1结构，当锯齿形锗烯纳米带引入硼氮共掺杂后，由于杂质对纳米带边缘态的影响，一个方向的自旋态密度能隙增大为0.18eV,而另一个方向的自旋态密度能隙减少为0.06eV；对于BN2结构，随着硼氮原子距离的增大，硼原子逐渐靠近纳米带的边缘，一个方向的自旋态密度能隙增大为0.19eV,而另一个方向的自旋态密度能隙减少为0.05eV；对于BN3结构，硼氮原子距离进一步增大，一个方向的自旋态密度能隙变化为0.18eV,而另一个方向的自旋态密度能隙变化为0.02eV；对于BN4结构，一个方向的自旋态密度能隙为0.17eV，而另一个方向的自旋态密度能隙关闭，表现为金属特性，从而导致硼氮共掺杂的锯齿形锗烯纳米带具有半金属特性；对于BN5结构，一个方向的自旋态密度能隙变化为0.15eV，而另外一个方向的自旋态密度能隙关闭，保持半金属特性；对于BN6结构，一个方向的自旋态密度能隙变化为0.16eV，而另外一个方向的自旋态密度能隙关闭，保持半金属特性；对于BN7结构，一个方向的自旋态密度能隙变化为0.14eV，而另外一个方向的自旋态密度能隙关闭，保持半金属特性；对于BN8结构，一个方向的自旋态密度能隙变化为0.13eV，而另外一个方向的自旋态密度能隙关闭，保持半金属特性。
而如图1所示，在位置1掺杂氮原子，然后向纳米带边缘逐渐改变硼原子的掺杂的位置(图1所示的其他位置)，随着掺杂原子距离的变化，一种方向的自旋能隙增大，而另一方向的自旋能隙减少，最终一种方向的自旋具有能隙，而另一方向的自旋能隙关闭，使得锗烯纳米带具有半金属特性为基于锗烯纳米带的自旋电子器件的设计提供了新的可能(无需外场作用)。
该基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料可通过如下工艺制备，包括：
(1)在Pt(1 1 1)面上利用外延的方法得到锗烯；
(2)可以利用电子束刻蚀技术，将(1)制备的锗烯裁剪成纳米带；
(3)在上述步骤形成的结构上，利用电子束光刻技术形成第一层光刻胶掩膜版；
(4)然后再采用氢等离子刻蚀的方法，使得未被光刻胶遮挡部分的锗烯被刻蚀掉，从而使得锯齿型边缘的碳原子被氢化；
(5)最后可以利用离子注入的方法，对上述步骤得到的锯齿型锗烯纳米带进行硼氮原子共掺杂；
(6)通过调节硼氮原子的掺杂位置来调控锯齿型锗烯纳米带的半金属特性，从而为设计基于锗烯纳米带的自旋电子器件提供一种方法。
本发明通过硼氮原子共掺杂，并调节掺杂原子之间的距离得到基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料，其只有一种方向的自旋是金属的，即该自旋方向的电子都具有相同自旋取向，但是另一种相反方向的自旋则表现为半导体或绝缘特性，研究表明，这种半金属特性材料可以具有100％的高自旋极化率，因此可以应用在自旋电子器件上。
以上所述仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料，其特征在于包括具有锯齿形边缘且边缘氢化的锗烯纳米带，所述锗烯纳米带中于中间的选定格点处取代掺杂有氮原子，与该选定格点次邻位置掺杂有硼原子，且氮原子与硼原子之间具有设定距离，使所述锗烯纳米带呈半金属特性。
2.根据权利要求1所述的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料，其特征在于所述锗烯纳米带的锯齿形边缘的碳原子被氢原子钝化。
3.一种基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备方法，其特征在于包括：
外延生长形成锗烯，并将所述锗烯裁剪成纳米带，
刻蚀所述纳米带，使所述纳米带的边缘呈锯齿形，获得锯齿形锗烯纳米带；
利用离子注入的方法对所述锯齿形锗烯纳米带进行硼、氮原子共掺杂，其中在所述锗烯纳米带中的中间的选定格点处取代掺杂有氮原子，与该选定格点次邻位置掺杂有硼原子，且使氮原子与硼原子之间具有设定距离，进而使得锗烯纳米带具有半金属特性。
4.根据权利要求3所述基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备方法，其特征在于包括：采用外延方法在Pt(111)面上生长形成锗烯。
5.根据权利要求3所述基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备方法，其特征在于包括：采用电子束刻蚀技术将所述锗烯裁剪成纳米带。
6.根据权利要求3所述基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料的制备方法，其特征在于包括：采用光刻和/或氢等离子刻蚀方法刻蚀所述纳米带，获得锯齿形锗烯纳米带，且使锯齿形边缘的碳原子被氢化。
7.采用权利要求3-6中任一项所述方法制备的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料。
8.一种自旋电子器件，其特征在于包含权利要求1、2、7中任一项所述的基于锯齿形锗烯纳米带的半金属材料。
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