CN109149541B - 一种基于氢化硼烯的纳米尺度电流限制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于氢化硼烯的纳米尺度电流限制器，属于纳米尺度电子器件技术领域。本发明的技术方案要点为：一种基于氢化硼烯的纳米尺度电流限制器，由具有类石墨烯结构的蜂窝状氢化饱和单层硼烯构成，氢化饱和单层硼烯上根据原子排列位置在相互垂直的锯齿型方向和扶手椅型方向分别搭建电路组建四电极双电路系统，无论电路在锯齿型方向还是扶手椅方向导通，电路均表现出各向同性的电流限制作用。该氢化硼烯纳米尺度电流限制器性能优良，当电压达到0.6伏特阈值时即可实现电流限制作用。本发明具有结构超薄、尺寸可调、功耗低的优良特点。
Description
技术领域
本发明属于纳米尺度电子器件技术领域，具体涉及一种基于氢化硼烯的纳米尺度电流限制器。
背景技术
电子器件已朝着更小(即结构尺度更小)、更快(反应速度更快)和更冷(功耗低、发热少)的微型化趋势发展，越来越接近于分子或原子尺度。纳米尺度电子器件的研究已引起世界范围内的广泛关注。
近年来，二维材料以其独特的几何结构、力学和光电等特性吸引了物理、化学和材料等众多领域科学家的极大研究兴趣。例如，石墨烯、氮化硼(h-BN)、过渡金属硫化物(MoS2等)、磷烯(Phosphorene)、MX烯、硅烯、锗烯、锡烯、硼烯等已陆续被制备出来。研究发现诸多二维材料具有优异的光、电等性质，它们有望成为新一代的高性能纳米光、电子器件的关键材料，并且已开辟了一个又一个全新的研究和应用领域。作为碳的“近邻”,元素硼存在类似碳的sp2杂化轨道，具有短的共价键半径和多样化的价态，这些性质有利于硼形成低维的同素异形体，如硼纳米管、笼状结构、平面结构等。其中，平面结构的二维硼(即硼烯Borophene)可以视为这些低维结构的基本形态。2015年，Guisinger、Hersam及Oganov等人在Science上首次报道了单层硼烯的制备工作(A.J.Mannix,et al.,Synthesis ofborophenes:Anisotropic,two-dimensional boron polymorphs[J].Science,2015,150,1513)，他们利用高真空原子溅射的方法，首次在银的表面成功生长出具有褶皱结构的单原子层硼烯。进一步的研究表明，氢化的硼烯结构会更加稳定(Y.L.Jiao,et al.,Two-dimensional boron hydride sheets:high stability,massless dirac fermions,andexcellent mechanical properties[J].Angew.Chem.,2016,128,10448)。例如，具有类石墨烯结构的Cmmm相氢化硼烯结构，最近已成功在实验上制备出来(H.Nishino,Formationand Characterization of Hydrogen Boride Sheets Derived from MgB2by CationExchange,J.Am.Chem.Soc.,2017,139,13761)。然而，对于这种类石墨烯结构的氢化单层硼烯的一些电学性质及其在纳米尺度电子器件方面的应用还尚未有相关报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种基于氢化硼烯的纳米尺度电流限制器，通过设计在具有类石墨烯结构的氢化硼烯上分别沿着锯齿型方向和扶手椅型方向搭建四电极双电路系统，无论当锯齿型方向还是扶手椅型方向电路导通，电路均可实现电流限制作用。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种基于氢化硼烯的纳米尺度电流限制器，其特征在于：该纳米尺度电流限制器由具有类石墨烯结构的蜂窝状氢化饱和单层硼烯构成。
进一步优选，所述氢化饱和单层硼烯上根据原子排列位置在相互垂直的锯齿型方向和扶手椅型方向分别搭建电路组建四电极双电路系统，无论锯齿型方向电路导通还是扶手椅型方向电路导通，电路均表现出各向同性的电流限制作用。
进一步优选，所述四电极双电路系统由锯齿型方向左、右电极及扶手椅型方向左、右电极构成。
本发明设计了类石墨烯结构的氢化单层硼烯的四电极双电路纳米尺度电流限制器结构，通过导通锯齿型或扶手椅型方向电路，均可实现其电流限制作用，可作为纳米尺度电流限制器的候选材料。本发明的结构超薄、尺寸可调、且功耗低、性能优良。
附图说明
图1是四电极双电路氢化硼烯纳米尺度电流限制器的原子尺度示意图，其中图1(a)是纳米尺度电流限制器的俯视图，左电极和右电极分别表示锯齿型方向(即沿着X轴电子输运方向)的电极导线，上电极和下电极分别表示扶手椅型方向(即沿着Y轴电子输运方向)的电极导线，而图1(b)和图1(c)为纳米尺度电流限制器的X方向侧视图和Y方向侧视图；
图2是锯齿型方向和扶手椅型方向电路的电流-电压曲线；
图3是锯齿型方向电流限制作用原理图(电压作用下左右电极能带和电子透射谱曲线)。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
本发明构造了具有类石墨烯结构的氢化饱和单层硼烯纳米尺度电流限制器结构。通过使用Virtual NanoLab-Atomistix ToolKit工具，采用密度泛函结合非平衡格林函数技术对氢化硼烯纳米电流限制器的电子输运性质进行了研究(M.Brandbyge,et al.,Density-functional method for nonequilibrium electron transport[J].Phys.Rev.B,2002,65:165401.Y.P.An,et al.,The electronic transport propertiesof transitionmetal dichalcogenide lateral heterojunctions[J].J.Mater.Chem.C,2016,4,10962)。通过对其电学性质的测量和微观纳米结构的电子结构分析，揭示了该类石墨烯结构氢化硼烯材料作为原子尺度纳米电流限制器件的物理机制，并为设计和实现具有优良性能的基于氢化硼烯的纳米尺度电流限制器提供了相关理论依据和模型构造方案。
基于氢化硼烯的四电极双电路纳米开关器件有锯齿型方向左、右电极以及扶手椅型方向左、右电极构成，如图1所示。其中图1(a)为纳米尺度电流限制器的俯视图，图1(b)和图1(c)为侧视图。锯齿型方向和扶手椅型方向电路分别构成两个闭合回路，并且两条电路相互正交。
此纳米尺度电流限制器的电学性质测量和限流特性实现可按照如下步骤完成：
一、将纳米电流限制器设定在锯齿型方向构成闭合回路，此时左、右电极可视为电路的源极和漏极。通过锯齿型方向电路的电流-电压曲线关系通过以下Landauer–Büttiker方法测量得到
其结果如图2中的锯齿型曲线(z-B4H4)所示。当电压达到0.6伏特阈值电压时，随着电压的继续增大，电流则始终保持在约70微安，即表现出电流限制作用。
二、当纳米电流限制器设定在扶手椅型方向构成闭合回路，此时上、下电极可视为电路的源极和漏极。则通过扶手椅型方向电路的电流-电压曲线关系可通过以下方法测量得到
其结果如图2中的扶手椅型曲线(a-B4H4)所示。可以发现，在扶手椅型方向电路表现出和锯齿型方向电路相同的电流-电压曲线特性，即各向同性的电学性质和电流限制作用以及相同的阈值电压。
该氢化硼烯纳米尺度电流限制器的工作基本原理可从其微观电子结构来理解。对于锯齿型方向电路，在电压达到0.6伏特前，如图3(a)和图3(b)所示，左右电极的两条能带均有交叠，偏压窗内透射系数相当，因此随着偏压窗的增大，电流会逐渐增大；但是，当电压继续增大时(如1.0伏特)，如图3(c)所示，左右电极均减少为只有一条能带在一侧偏压窗提供贡献，此时随着电压增大，电子透射系数明显减小，导致电流增长停滞而出现电流限制作用。对于扶手椅型方向电路的电流限制作用具有相同的原理。
我们设计的氢化硼烯纳米尺度电流限制器具有结构超薄、尺寸可调、功耗低性能优良的特点。可根据需要任意定制其尺寸大小。即如图1(a)所示，该氢化硼烯纳米尺度限流器的厚度仅约2埃，在X和Y方向的长度可随意剪切调整。该氢化硼烯纳米尺度电流限制器性能优良，功耗低，在0.6伏特阈值电压即可实现电流限制作用。
以上描述了本发明的基本形状构造、技术方案、基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解。本发明凡符合上述氢化硼烯纳米结构均落入本发明保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于氢化硼烯的纳米尺度电流限制器，其特征在于：该纳米尺度电流限制器由具有类石墨烯结构的蜂窝状氢化饱和单层硼烯构成。
2.根据权利要求1所述的基于氢化硼烯的纳米尺度电流限制器，其特征在于：所述氢化饱和单层硼烯上根据原子排列位置在相互垂直的锯齿型方向和扶手椅型方向分别搭建电路组建四电极双电路系统，无论锯齿型方向电路导通还是扶手椅型方向电路导通，电路均表现出各向同性的电流限制作用。
3.根据权利要求2所述的基于氢化硼烯的纳米尺度电流限制器，其特征在于：所述四电极双电路系统由锯齿型方向左、右电极及扶手椅型方向左、右电极构成。
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