边缘掺杂对应力作用下锯齿型石墨烯纳米带I―V特性的影响

摘　要　利用第一性原理计算得到边缘n型氮N和p型氧O掺杂的6锯齿型石墨烯纳米带在外加非轴向应力作用下的IV特性曲线．研究结果表明，边缘掺杂在低偏压条件（VBias

关键词　锯齿型石墨烯纳米带；边缘掺杂；非轴向应力；第一性原理计算；IV特性

中图分类号　O4416 文献标识码　A 文章编号　10002537（2012）06003004

石墨烯（单层或几层碳原子）因其特殊的结构和性能，自2004年底成功制备以来［1］，很快成为物理、材料、化学、信息（包括量子信息领域）和生物技术等学科和领域的交叉研究热点，俄罗斯裔英国曼彻斯特大学科学家安德烈・盖姆和康斯坦丁・诺沃肖罗夫因在二维空间材料石墨烯方面的开创性实验而获得2010年诺贝尔物理学奖．然而，从电子、光电子器件研究的角度看，理想完整的大片石墨烯是零带隙半导体，并不利于基于石墨烯半导体器件的设计和广泛应用．利用半导体工艺中常见的刻蚀技术对碳化硅SiC表面覆盖的规则完整的大片石墨烯薄膜进行选择性腐蚀或剥离得到的的准一维石墨烯纳米带不仅能够展现量子受限体系的基本特性，还是基于石墨烯微纳电子/光电子器件和自旋量子器件的基本组成单元，因而，石墨烯纳米带的物理性质受到特别关注［217］．

一般来说，由于实际实验条件等因素的干扰，在石墨烯纳米带的电子电路和器件设备中，杂质原子或本征甚至是人为的应变等因素不可避免，这将在很大程度上改变系统的电子能带结构和性质［27］．通过第一性原理计算，Huang等人［2］提出可通过选择性掺杂构造基于石墨烯纳米带的场效应晶体管，Biel等人［3］研究了掺杂对石墨烯纳米带电子输运性质的影响．Sun和Pellegrino等人分别利用第一性原理计算探讨了应力对石墨烯纳米带电子结构［4］和光学性质［5］的影响．我们利用紧束缚近似理论计算得到微小应变作用下扶手椅型石墨烯纳米带电子能带结构，并给出第一性原理交叉验证的计算结果［6］．通过总结和分析应变作用下扶手椅型石墨烯纳米带原子键长、键角的分布以及碳原子周围电荷密度的分布情况，我们还发现扶手椅型石墨烯纳米带可能从几何结构对称性的角度进行新的分类［7］．Barone等人［8］利用密度泛函理论研究了半导体型石墨烯纳米带的电子能带结构和稳定性，利用Huckel紧束缚近似方法，Chang　等人［9］探讨了应变作用下扶手椅型和锯齿型石墨烯纳米带电子能带结构的变化．

湖南师范大学自然科学学报 第35卷第6期

廖文虎等：边缘掺杂对应力作用下锯齿型石墨烯纳米带IV特性的影响Topsakal等人［10］给出应变作用下扶手椅型石墨烯纳米带电流电压特性曲线的第一性原理计算结果，非轴向应变作用下石墨烯纳米带弹性性质对自身几何尺寸和手征性的依赖关系也受到关注［11］．Hod等人［12］发表在《纳米快报》上的工作探讨了悬挂石墨烯纳米带的电子力学性质，还有第一性原理结合紧束缚近似计算的研究结果［13］．经典弹性理论和第一性原理计算［14］结果表明，弯曲的石墨烯纳米带中可能产生物理上非常强的超过10　T的赝磁场，应变作用下石墨烯纳米带的热输运性质［15］也被投以关注的目光．然而，准一维限制、应变以及边缘n型N和p型O杂质原子共同作用下石墨烯纳米带的输运性质到目前为止还未见报道，相关研究可能展现纳米（光）电子学及电子力学的一些新的量子现象和概念，并可能从原理上设计一些功能可调的新型电子/光电子器件［16］等．

在第一性原理计算中，选取局域密度近似下的单ζ自旋非极化基矢的描述原子的局域轨道，截止能量取为100里德伯常数．沿着锯齿型石墨烯纳米带一维布里渊区均匀分布的k在第一性原理计算中，选取局域密度近似下的单ζ自旋非极化基矢的描述原子的局域轨道，截止能量取为100里德伯常数．沿着锯齿型石墨烯纳米带一维布里渊区均匀分布的k点取为100　k．锯齿型石墨烯纳米带的几何结构进行完全驰豫，直至每个超级元胞总能的变化小于0.01　meV．在6%的非轴向应变下，6锯齿型石墨烯纳米带的应变能为0.45　eV．另外，除n型N和p型O掺杂的部分外，锯齿型石墨烯纳米带的其他边缘碳原子的悬挂键用氢原子饱和．需要指出的是，在数值计算过程中，选择更大的基矢和截止能量会大大增加计算量，降低运算效率，然而，计算结果却几乎不变．由于本文的主要目的不是探讨6锯齿型石墨烯纳米带的自旋相关特性（尽管用氢原子边缘饱和的锯齿型石墨烯纳米带上下边缘局域的边缘态有着相反的自旋方向［17］，呈反铁磁性，锯齿型石墨烯纳米带自旋极化边缘态的新奇特性也倍受关注），所以，为节约计算资源，提高计算效率，本文的研究中未选择双ζ自旋极化的基矢和太高的截止能量［67］．

下面给出利用非平衡格林函数方法和密度泛函理论计算得到的边缘n型N和p型O掺杂的6锯齿型石墨烯纳米带在外加非轴向应力作用下的IV特性曲线．如1所示，其中（a）、（b）和（c）对应理想（无外加应变）、沿着扶手椅方向和锯齿边缘的应变情形，实线、虚线、虚点线和点线分别对应理想、应变、N掺杂以及O掺杂情形．首先，如图1（a）、（b）和（c）中的实线所示，在0～2.0　V偏压范围内，理想的6锯齿型石墨烯纳米带的电流随电压近乎线性地增加，呈现典型的金属性特征．在偏压小于0.5　V范围内，理想的6锯齿型石墨烯纳米带的微分电导（IV特性曲线对应点的斜率）在边缘杂质原子的作用下（如图1（a）中的虚点线和点线所示）微微增强，在偏压大于1.0　V后大大减弱．特别是边缘O原子掺杂条件下，在2.0　V偏压下的电流值仅为理想（边缘无杂质原子情形）的一半，甚至在0.5～1.5　V范围内出现类平台结构，显然，在该电压范围内系统的微分电导趋于零，这在器件的设计与应用方面是十分不利的．可见，单个杂质原子竟可以让系统的电子输运性质发生如此巨大的变化，这正是器件研究与设计中对材料有着高精度和高纯度要求的重要原因．