Спин-разрешенные электронные и транспортные свойства наноструктур из графина с переменными позициями азотной субституции

Аннотация

В связи с быстрым развитием теоретических исследований двумерных нанолент и наноструктур из графина, в данной работе исследуются электронные зонные структуры и транспортные свойства структур на основе нанолент γ-графина с кресловидными краями (AγGYNR) с асимметричной азотной субституцией в центральном углеродном гексагоне. Используя расчеты из первых принципов, мы показываем, что количество и расположение одиночной или двойной азотной легирования эффективно модулируют электронную зонную структуру, а азот-легированные гексагональные кольца в центре наноструктуры играют ключевую роль в зарядопереносе. В частности, наблюдается эффект отрицательного дифференциального сопротивления (ODS), обладающий максимальным отношением пик/падина до 36,8. Интересно, что наноструктура с более длинной молекулярной цепью в центральной области рассеяния демонстрирует более выраженное поведение ODS. Микроскопический механизм объясняется тем, что асимметричная азот-легированная наноструктура с удлиненной молекулярной цепью создает более заметный импульсный характер зависимости тока от напряжения из-за появления транспортирующего канала в окне смещения при более высоком смещении. Кроме того, при учете спиновой инъекции обнаруживается интригующий выпрямляющий эффект в сочетании с ODS, что перспективно для будущих спинтронных устройств.

Введение

Несколько двумерных (2D) углеродных материалов демонстрируют потенциал как кандидаты для спинтронных устройств [1–5]. Недавно все больше экспериментальных работ посвящено этому аспекту [6–11]. Особенно графен [12–15] и графин [16–19] наноструктуры и связанные устройства [20–22] предложены теоретически. Далее в этих устройствах наблюдаются ценные эффекты выпрямления [12, 20], переключения [13, 23], отрицательного дифференциального сопротивления (ODS) [23–25] и спиновой фильтрации [26–28]. Графен и графин рассматриваются как электродные материалы для спинтронных молекулярных наноструктур благодаря их выдающимся электронным и транспортным свойствам.

Известно, что наноленты графена можно формировать и резать на различные структуры для молекулярных устройств экспериментально [29, 30]. Аналогично, структуры графина [17–19, 31, 32], состоящие из атомов углерода, обладают настраиваемыми электронными и транспортными свойствами, превосходящими графен. Недавно показано, что пленки графина можно выращивать на медной поверхности методом кросс-сочетания [8]. Рациональный подход к синтезу наностенок графина с использованием модифицированной реакции Глазера-Хей сообщен Чжоу и соавт. [9]. Однако связанные экспериментальные наблюдения долго оставались вызовом. Со временем наноленты графина также стремятся к экспериментальной реализации наноструктур методом кросс-сочетания, облучением энергичными электронами внутри передаточного электронного микроскопа [8, 29, 30]. Благодаря высокой подвижности носителей заряда и выдающимся электронным характеристикам [4, 33], структуры графина, включая α- [34, 35], β- [36], γ- [37], 6,6,12- [27], α-2- [38], δ- [39], 14,14,14-графин [40] и соответствующие гетероструктуры [41, 42], привлекают все больше теоретического внимания. Однако нехватает исследований транспортных характеристик молекулярных цепей с контролируемой длиной, состоящих из повторяющихся молекулярных единиц между двумя полубесконечными наноэлектродами из γ-графина.

Нанолента γ-графина (γGYNR) [43], классифицируемая на кресловидные и зигзагообразные края, демонстрирует полупроводниковое поведение с запрещенной зоной независимо от типа краев [18]. Кресловидная γGYNR (AγGYNR) реже используется для построения спинтронных и молекулярных наноструктур, чем зигзагообразная [44–46], из-за большей ширины запрещенной зоны [18]. Однако азотное легирование изменяет электронные и транспортные свойства графена и графика [47–51], способствуя сужению запрещенной зоны. Экспериментально азотное легирование реализовано в слоях графена [52, 53]. При этом γGYNR предсказаны как полупроводники с малыми эффективными массами носителей и высокой подвижностью, как графен [4]. Предыдущие теоретические работы о легировании также показывали интригующие электронные или транспортные свойства GYNR [49, 50, 54, 55]. Недавние экспериментальные исследования графдииновых нанолент [8, 9] и устройств с и без азотного легирования [56, 57] также сообщены. Кроме того, ацетиленовые связи между двумя углеродными гексагонами в γGYNR предоставляют естественные полости для легирования различными кандидатами как n- или p-полупроводников. Таким образом, необходимо рассмотреть одиночное или двойное азотное легирование в предлагаемых наноструктурах AγGYNR.

С целью глубокого понимания спиновых электронных и транспортных свойств молекулярных цепей с регулируемой длиной, помещенных между двумя полубесконечными AγGYNR с различными позициями азотной субституции, мы выполнили вычислительную работу, используя расчеты из первых принципов в сочетании с подходом Ландауэра-Бюттикера. Результаты теоретического моделирования показывают, что азотное легирование эффективно уменьшает запрещенную зону 3-AγGYNR наноструктур, тогда как одиночное азотное легирование позиции M₂ и двойное — M₆ индуцируют спиновое расщепление зонной структуры. Транспортный ток 3-AγGYNR наноструктуры без азотного легирования ослабевает с увеличением числа повторяющихся единиц в области рассеяния; напротив, токи усиливаются с удлинением молекулярной цепи для наноструктур с одиночной или двойной азотной субституцией. Интересно, что эффекты выпрямления и явные ODS наблюдаются в азот-легированных наноструктурах M₂ и M₆. Такие поведения обусловлены различной связанностью двух электродов и области рассеяния. Для объяснения механизма ODS на микроскопическом уровне показано, что более длинная молекулярная цепь в асимметрично азот-легированных наноструктурах вызывает более выраженный импульсный характер зависимости тока от напряжения из-за существования открытого транспортирующего канала в соответствующем окне смещения при более высоком смещении. Кроме того, гексагональное кольцо с азотной субституцией оказывает жизненно важное влияние на процесс транспорта.

Статья структурирована следующим образом: в разделе «Моделирование и вычислительные методы» описываются наноструктура и методология. Далее в разделе «Результаты и обсуждение» представлены результаты и их внутренние механизмы, а вычислительные результаты обобщены в разделе «Заключения».

Моделирование и вычислительные методы

Молекулярные проволоки, состоящие из 1–4 повторяющихся молекулярных единиц, включающих один бензоль и один ацетилен без или с азотным легированием, показаны на средней панели рис. 1 четырьмя зелеными пунктирными прямоугольниками. Область рассеяния молекулярной цепи с азотной субституцией помещена между двумя симметричными полубесконечными AγGYNR, где применяются соответственно 1-повторяющаяся молекулярная цепь (A), 2-повторяющийся молекулярный провод (B), 3-повторяющаяся молекулярная цепь (C) и 4-повторяющаяся молекулярная цепь (D). Мы выбираем 3-AγGYNR в качестве электродов благодаря симметричной структуре π-σ-π архитектуры. В наши наноструктуры входят левый электрод, область рассеяния и правый электрод, и все углеродные атомы на краях устройств насыщены атомами водорода для улучшения структурной стабильности [18, 43, 45, 46]. Предлагаемые устройства удобно формировать в наноструктуры механическим методом или химической реакцией из целых γGYNR экспериментально, как и другие структуры [29, 30, 56]. Для наглядности основной вид на верхней панели рис. 1 представлен супер-единицей с одиночной азотной субституцией в центральной позиции, названной M₁ на втором рисунке нижней панели рис. 1. Для удобства атомные позиции субституции в кольце C₆ пронумерованы как 1, 2, 3, 4 и 5, как указано под соответствующими атомами красной рамки. Соответственно, идеальное устройство без азотного легирования называется M₀, модели с двумя типичными одиночными азотными субституциями (замена атомных позиций 1 или 2) — M₁ и M₂, а с пятью типичными двойными азотными легированиями в разных позициях (замена позиций 1/5, 2/3, 2/4, 1/4 и 1/2) — M₃–M₇. Красная заштрихованная часть, ограниченная пунктирной рамкой на основном виде рис. 1, является периодической супер-ячейкой наноленты, заменяемой восемью моделями. Таким образом, всего исследовано 32 типичные модели. Например, наноструктура M₁ с одиночной азотной субституцией позиции 1, включающая молекулярную цепь из четырех повторяющихся единиц как D, обозначается как M₁D.

(Цвет онлайн) Схематические виды двухзондовых систем. Для наглядности устройство с одиночным азотным легированием (вторая супер-ячейка на нижней панели как M₁) AγGYNR выбрано как основная диаграмма на верхней панели. Синие заштрихованные прямоугольные области обозначают левый и правый электроды, между которыми находится центральная область рассеяния. Серые, белые и синие сплошные сферы представляют атомы углерода, водорода и азота соответственно. Направление транспорта — ось z. Кроме того, зеленая заштрихованная молекулярная единица на главной диаграмме может периодически реплицироваться, образуя четыре структуры с разной длиной молекулярных цепей, включающих бензоль и ацетилен в средней панели, названных A–D. Дополнительно красная рамка обозначает периодическую супер-единицу наноленты, которую можно менять на M₀–M₇ без или с одиночными/двойными азотными субституциями на нижней панели. Для удобства атомные позиции кольца C₆ пронумерованы как 1, 2, 3, 4 и 5, как указано под соответствующими атомами красной рамки.

Сначала мы оптимизируем все структуры единичных ячеек и молекулярных наноструктур, реализуя расчеты теории функционала плотности в пакете Atomistix ToolKit (ATK) [46–48, 58]. Согласно результатам оптимизации, расстояние связи азота и углерода приближается к 1,43 Å, что подходит для замены атома углерода с похожей длиной связи C–C 1,43–1,46 Å в γGYNR [31, 59]. Более того, связь C≡C системы между ближайшими соседними бензолами остается стабильной после оптимизации. Мы выбираем структуры с более низкими полными энергиями. Энергетическая разница между супер-ячейками с одиночным азотным легированием составляет 0,57 эВ, а с двойным — увеличивается до 1,63 эВ, что считается более легким для экспериментальной реализации. Таким образом, эти молекулярные наноструктуры могут применяться как новые устройства с азотным легированием. Детальные вычислительные параметры следующие. Используются нормирующие псевдопотенциалы и спин-обобщенный градиентный приближение с функционалом Пердева-Берка-Эрнцерхофа для потенциала обмена-корреляции [60–62]. Вычислительные геометрии оптимизируются до тех пор, пока остаточные силы на каждом атоме не станут меньше 0,02 эВ/Å. Для расчетов электронной структуры используется сетка k-точек 1×1×15 по Монкхорсту-Паку в зоне Бриллюэна. Сетка Монкхорста-Пака для спин-зависимых транспортных расчетов — 1, 1 и 100 в направлениях x, y и z соответственно, а отсекающая энергия — 150 Ry. Двойная-ζ поляризованная база установлена для всех элементов C, H и N. Критерий сходимости для полной энергии — 10⁻⁵ эВ. Поскольку направление транспорта задано осью z, используется межслойное вакуумное расстояние ~25 Å для избежания взаимодействий между периодическими образами [63, 64]. Спектр прохождения как функция энергии (E) и смещения (V) определяется как

$$ T(E,V)=\mathrm{Tr}\left[{\Gamma}_L(E,V){G}^R(E,V){\Gamma}_R(E,V){G}^A(E,V)\right], $$

где G^R(A) — ретардированная (продвинутая) функция Грина центральной области рассеяния, а Г_L(R) — матрица связи левого (правого) электрода. Спиновой транспортный ток рассчитывается по формуле Ландауэра-Бюттикера [65–68]

$$ I(V)=\left(\frac{e}{h}\right){\int}_{\mu_L}^{\mu_R}T(E,V)\left[{f}_L(E-{\mu}_L)-{f}_R(E-{\mu}_L)\right] dE, $$

где μ_L/R = E_F ± eV/2 — электрохимический потенциал через энергию Ферми (E_F) материала, общего для обоих электродов под внешним V, а функция распределения Ферми-Дирака — \( {f}_{L/R}(E)=1/\left[1+{e}^{\left(E-{\mu}_{L/R}\right)/{\kappa}_BT}\right] \) в левом/правом электроде.

Результаты и обсуждение

Для практических расчетов электронной зонной структуры рассматривается периодическая супер-единицу с азотным легированием вдоль оси z наноленты. Для удобства сравнения все единичные ячейки показаны иллюстрациями для M₀–M₇ на рис. 2a–h. Для предлагаемых наноструктур центральное гексагональное кольцо с азотной субституцией считается играющим значительное влияние на транспортные свойства. Поэтому центральные кольца C₆ с азотным легированием обрамлены синей пунктирной рамкой с синей заштрихованной областью, в которой также рассчитана и показана спроецированная плотность состояний на правых панелях рис. 2a–h.

(Цвет онлайн) Электронная зонная структура (левые панели) и распределение спиновой плотности (вставки на правых панелях с красными и синими облаками, указывающими положительные и отрицательные электроны) для супер-ячеек M₀–M₇, соответствующих a–h. Горизонтальная синяя пунктирная линия указывает позицию уровня энергии Ферми. Спроецированная плотность состояний (PDOS) на правых панелях a–h — это плотность состояний относительно всех атомов гексагональных колец внутри синей заштрихованной рамки. Здесь красные и зеленые линии представляют спин-вверх (UP) и спин-вниз (DN) компоненты для M₂ и M₆ на c и g.

Сначала исследуем структурные и электронные характеристики AγGYNR. Как показано на рис. 2a, электронная зона идеальной супер-ячейки M₀ показывает, что AγGYNR — полупроводник с прямой запрещенной зоной 1,16 эВ. Нижняя проводимая зона и верхняя валентная зона происходят из π* и π подзон соответственно [37, 69]. Но для M₁ и M₂ с одиночной азотной субституцией на рис. 2b и c явная примесная зона проходит через уровень Ферми, приводя к нулевой запрещенной зоне. Интересно, что электронная зонная структура M₂ демонстрирует спиновое расщепление. Включение одиночного азотного легирования сужает запрещенную зону на границах зоны Бриллюэна. В результате зонные структуры M₁ и M₂ ведут себя как металлы. При двойном азотном легировании для M₃–M₇ на рис. 2d–h обнаружены новые свойства зонных структур. Запрещенные зоны M₃, M₄ и M₇ сужены до 0,06, 0,04 и 0,44 эВ благодаря легированию в идеальной структуре, что показывает, что они остаются полупроводниками после двойного азотного легирования. Однако зонные структуры M₅ и M₆ демонстрируют металличность с нулевой запрещенной зоной на рис. 2f и g, что важно для транспортного поведения. Аналогично, спиновое расщепление электронной зонной структуры возникает в двойной легированной структуре M₆ на рис. 2g. Обратите внимание, что появление металличности зависит от типичных позиций азотной субституции в центральном кольце C₆ AγGYNR. Как показано позже, центральная часть кольца C₆ действительно влияет на проводимые свойства AγGYNR в нашей работе.

Для глубокого ilustрации влияния позиции азотной субституции, спинозависимые электроны на атомах азота можно идентифицировать из распределения спиновой плотности AγGYNR (см. вставки на рис. 2a–h). Как показано на рис. 2c и g, очевидно, что спинозависимое рассеяние электронов увеличивается благодаря внедрению одиночных или двойных атомов азота; в результате магнетизм AγGYNR усиливается по сравнению с идеальным на рис. 2a. Одновременно относительно богатые перепрыгивания и рассеяние электронов также найдены на рис. 2d и f. Для этих четырех картинок спиновых плотностей распределения спинозависимых электронов распространились на все единичные ячейки, способствуя зарядопереносу. Тем не менее, распределения электронной плотности частично локализованы в центральной части вставок для рис. 2b и e, тогда как для рис. 2h — в центральной и нижней частях. Таким образом, легирование в центральном гексагональном кольце супер-ячеек оказывает главное влияние на электронную зону. Наше наблюдение переносится в область кольца C₆ в предлагаемой структуре.

Кроме того, восемь моделей показаны как вставки на правых панелях рис. 2a–h, где гексагональные кольца с азотными субституциями обрамлены синими заштрихованными пунктирными рамками в моделях соответственно. PDOS гексагональных колец построены на правых панелях рис. 2a–h. Результаты показывают, что PDOS обозначенных областей в M₀–M₇ хорошо соответствуют соответствующим электронным зонным структурам; особенно π* и π подзоны рядом с уровнем Ферми в основном происходят от вклада шестичленного кольца. Для исходной модели M₀ на рис. 2a нет пика PDOS вокруг E_F, приводя к широкой запрещенной зоне, что результатирует в полупроводниковом свойстве. Если типичные атомы C в кольце C₆ заменяются одиночными или двойными атомами азота как M₁–M₇, двойные пики PDOS стремятся сблизиться с E_F, способствуя уменьшению ширины запрещенной зоны. Например, вокруг уровня Ферми наблюдаются два высоких пика PDOS (см. рис. 2b и e) для M₁ и M₄; в значительной степени они способствуют сужению запрещенной зоны в первой зоне Бриллюэна. Более интересно, спин-вверх и спин-вниз энергетические зоны для M₂ и M₆ (см. рис. 2c и g) расщеплены в результате того, что спин-вверх (спин-вниз) PDOS смещаются вниз (вверх) к более низкому (высокому) энергетическому состоянию. Однако для M₃, M₅ и M₇ на правых панелях рис. 2d, f и h также существуют два раздельных пика PDOS рядом с уровнем Ферми, способствующие появлению π* и π подзон. Следовательно, азотное легирование в центральной части кольца C₆ M₀–M₇ — жизненно важный вопрос, и интересно продолжить изучение электронного транспорта AγGYNR, спроектированных из восьми исходных супер-ячеек.

Для иллюстрации транспортных свойств AγGYNR строим пути прохождения азот-легированных AγGYNR, показывающие вероятности прохождения нанолент на рис. 3. Пропуская изображения с ничтожно малыми распределениями путей прохождения для M₀ и M₇, рассматриваются устройства M₁–M₆, включающие молекулярные цепи с четырьмя повторяющимися единичными ячейками, названными D, в центральной области рассеяния. Для M₀ и M₇ пути прохождения прерваны без транспортного канала, а перепрыгивание и рассеяние электронов появляются только в левом электроде, поэтому их распределения путей прохождения игнорируются. Все шесть устройств демонстрируют идеальный транспортный канал на рис. 3a–f, что означает, что электроны могут течь от левого электрода к правому. Фактически, электроны могут проходить через центральную область рассеяния благодаря включению азотного легирования. Как показано на рис. 3a и b для M₁ и M₂, электронный переход происходит не только между ближайшими соседними атомами, но и между вторыми ближайшими соседями. Аналогично, при двойном азотном легировании для M₃–M₆ на рис. 3c–f происходит более богатый электронный переход ко вторым ближайшим соседям.

(Цвет онлайн) Пути прохождения азот-легированных AγGYNR как M₁–M₆ с четырьмя периодическими молекулярными цепями, названными D, в центральной области. На видах a–f цвета соединяющих стрелок между двумя атомами дают направление перепрыгивания электронного прохождения согласно цветовой шкале, а последовательные разные цвета соответствуют серии разных углов. Порог взят как 0,05.

Далее фокусируемся на центральной области рассеяния молекулярных цепей, обнаруживая, что электронный переход ко вторым ближайшим соседям происходит вокруг атомов азота для всех показанных моделей на рис. 3. Таким образом, азотное легирование играет важное действие в электронном переходе, способствуя более сильному току на рис. 4. Более интересно, большинство путей прохождения локализованы в кольцах C₆ AγGYNR, указывая на то, что азот-легированные кольца C₆ вносят главный вклад в эти наноструктуры. В левой колонке рис. 3 для M₁, M₃ и M₅ пути прохождения демонстрируют симметричное распределение вдоль молекулярных цепей. Но для M₂, M₄ и M₆ в правой колонке они показывают более слабые тенденции электронного перехода в четвертой молекуле области рассеяния, как показано на рис. 3b, d и f. Таким образом, более длинная молекулярная цепь выше четырех повторяющихся супер-единиц не подходит для этих типичных наноструктур. Особенно пути электронного перехода для M₅ на рис. 3e распределяют больше возможностей транспортных каналов, чем остальные. Обратное рассеяние электронов усиливается на верхнем крае молекулярных цепей из-за существования двойных азотных атомов для M₅ и M₆ на рис. 3e и f. Следовательно, азотная примесь играет жизненно важное влияние в зарядопереносе наноструктур AγGYNR. Дополнительно асимметричные распределения путей прохождения для M₂ и M₆ на рис. 3b и f могут демонстрировать некоторые текущие физические поведения. Соответствующее обсуждение интересно продолжить. Далее покажем вольт-амперные характеристики для этих наноструктур, чтобы найти более интересные явления.

(Цвет онлайн) Вольт-амперные (I-V) характеристики AγGYNR (a) без азотного легирования или с одиночным азотным легированием как показано на b M₁ и c M₂ для четырех разных молекулярных цепей A–D. I-V кривая AγGYNR с четырьмя периодическими молекулярными цепями как D для d M₀D–M₂D или e M₃D–M₇D. f I-V кривая AγGYNR для четырех разных молекулярных цепей A–D для M₆.

Для дальнейшего понимания транспортных свойств этих двухзондовых наноструктур вычисляем I-V кривые для AγGYNR наноструктур с четырьмя разными молекулярными цепями разной длины на рис. 4. Поскольку мы фокусировали работу на произведенных структурах азотных субституций, эффект длины молекулярных цепей на структурно-зависимые транспортные свойства не рассматривался явно. Идеальное устройство M₀ исследовано на рис. 4a. Существует пороговое напряжение ~1,2 В, ниже которого проводимость увеличивается с ростом смещения, результатом смещения зонных структур (см. рис. 2a) в левом и правом электродах. Следовательно, существует ничтожно слабый ток для четырех устройств M₀A–M₀D на вставке рис. 4a (для наглядности диаграмма I-V увеличена в диапазоне смещения [0, 1,0 В]). Когда приложенное напряжение больше 1,2 В, мы обнаруживаем, что чем длиннее молекулярная цепь, тем слабее ток, что означает, что молекулярная цепь может препятствовать перепрыгиванию электронов от левого к правому электродам. Соответствующее объяснение показано на рис. 5a, давайте сосредоточимся на пике прохождения рядом с E_F, так как ток в значительной степени определяется пиком прохождения [18, 20]. Спектр прохождения M₀A имеет несколько пиков вокруг уровня Ферми; напротив, пик прохождения становится ниже и ниже от M₀A до M₀D с увеличением длины молекулярной связи. Для наглядности вставка рис. 5a, показывающая усиленный пик для M₀C и M₀D, объясняет уменьшение тока. Действительно, идеальный AγGYNR не является идеальным электродом для построения спиновой (электронной) наноструктуры; вопрос азотной субституции необходимо рассматривать здесь.

(Цвет онлайн) Рассчитанные спектры прохождения AγGYNR при нулевом смещении a без или b–d с различными моделями азотного легирования в горизонтальных молекулярных нанопроводах, где соответствующая повторяющаяся единичная ячейка показана на рис. 1. a Спектры прохождения для нелегированных AγGYNR M₀, включающих четыре молекулярные цепи с разной длиной A–D; цвет сплошных линий на рисунке согласован с рис. 2a. Вставка — частично увеличенный вид основного вида, где спектр прохождения меньше 0,1. Аналогично, сплошные линии на b согласованы с линиями общих цветов на рис. 2d для M₀D–M₂D, а сплошные линии на c/d соответствуют линиям на рис. 2e для M₃D–M₇D соответственно.

Когда устройства легируются одиночным атомом азота позицией 1 (M₁) или 2 (M₂) соответственно, происходит обратная ситуация, и мы замечаем, что все токи усиливаются на рис. 4b и c. Ток получает большое значение при V ≤ 1,2 В, и происходит уменьшение с ростом смещения для устройства M₁A–M₁D на рис. 4b. Обратите внимание, что явное поведение ODS наблюдается с провалом тока между 0,6 и 1,6 В. Подобная I-V кривая показывает, что эффект ODS также найден для M₂B на рис. 4c. Максимум отношения пик/падина (PVR) может достигать 5,6. Однако другие кривые проявляют различные интересные особенности, исходящие из асимметричного пути прохождения на рис. 3b, что может привести к новому физическому эффекту, обсуждаемому позже.

Кроме того, для сравнения влияния легирования строим I-V кривые M₀, M₁ и M₂ с четырех повторяющейся молекулярной цепью на рис. 4d, показывая, что одиночное азотное легирование AγGYNR может эффективно усилить зарядоперенос, приводя к сильному току. Следовательно, значения красной линии (для M₁D) и синей линии (для M₂D) больше значений черной линии (для M₀D). Видно из рис. 5b, пик прохождения M₁D распространяется на энергетический диапазон −0,26 эВ ≤ E ≤ 0,8 эВ, способствуя протеканию электронов через центральную область рассеяния. Существует острый пик прохождения вокруг уровня Ферми для M₂D (синяя линия), который немного ниже предыдущего; в результате появляется относительно более слабая вольт-амперная кривая. Конечно, нулевая транспортная запрещенная зона для M₀D (см. черную линию на рис. 5b) приводит к почти нулевому значению тока. Хотя существует много пиков прохождения при E > 1,0 эВ, они имеют крошечный вклад в транспортные свойства устройства на основе AγGYNR. Следовательно, одиночное азотное легирование — эффективный метод для продвижения рассеяния и перепрыгивания электронов на наших наноструктурах.

Когда идеальные устройства легируются двойными атомами азота, вычислительные результаты показывают, что суммарный ток варьируется с замещающими позициями легирующих атомов для химической модификации. На рис. 4e показано, что токи M₄D и M₅D больше трех M₃D, M₆D и M₇D. Синяя линия для M₅D демонстрирует почти линейное увеличение как функция смещения с большим током при высоком смещении, тогда как красная для M₄D — нелинейная кривая с большим током при низком напряжении, потому что красный пик прохождения на рис. 5c локализован вокруг уровня Ферми, легко проводимый при низком смещении, синий пик прохождения удален от нулевого энергетического уровня, что требует высокого напряжения для пробоя транспортного канала. Поэтому ток M₄D больше M₅D при низком смещении [0, 1,2 В], но начинает становиться сильнее при более высоких смещениях.

Как объяснено ранее, все три спектра прохождения имеют много пиков прохождения рядом с уровнем Ферми (коэффициенты прохождения нулевы при E_F) на рис. 5d, что приводит к малым токам. Особенно существует много более высоких пиков желтой линии при положительной энергии, подтверждая появление явного эффекта ODS. Для глубокого наблюдения феномена ODS для M₆ строим все I-V характеристики от M₆A до M₆D, обнаруживая, что эффект ODS начинает усиливаться с увеличением длины молекулярной цепи. PVR может увеличиться от 1,7 для M₆A до 5,4 для M₆B, затем максимум PVR 24,5 достигается для M₆D от значения 12,8 для M₆C. Обратите внимание, что длина молекулярной цепи может эффективно модулировать возникновение и интенсивность поведения ODS.

Одновременно рассчитанные спин-разрешенные токи как функция смещения также показаны для M₂D и M₆D на рис. 6, чтобы четко наблюдать интересные особенности спиновых устройств. В полном диапазоне смещения обе модели демонстрируют видимый асимметричный импульсный I-V характер на рис. 6a и b, дающий идеальный феномен ODS. Спин-вверх ток для M₂D демонстрирует эффект ODS с PVR 18,9 на рис. 6a; тем не менее, значение PVR достигает 36,8 в спин-вверх случае M₆D между 0,8 и 1,6 В на рис. 6b и также 24 для спин-вниз случая от 1,2 до 1,6 В. Особенно для модели 2D на рис. 6a положительные токи сильнее отрицательных в обоих спиновых направлениях, что означает, что в этом устройстве можно найти выпрямляющий эффект. Коэффициент выпрямления (RR) можно определить [70] как формулу: RR(%) = I(V)/│I(−V)│ × 100% для спин-вверх (спин-вниз) тока. Для разницы коэффициента выпрямления между спин-вверх и спин-вниз случаями, RR спин-вверх и спин-вниз тока составляет 480% и 440% при ±0,6 В соответственно. Таким образом, с точки зрения практического применения, азотное легирование не только влияет на зонную структуру [71, 72], но и модулирует поведение устройств. Внутренние физико-химические механизмы могут объяснить эти эффекты.

(Цвет онлайн) Спинозависимые I-V кривые AγGYNR с a одиночным азотным легированием и b двойным азотным легированием, модели которых показаны как M₂D и M₆D на рис. 1. Все модели рассматривают только структуры с молекулярной цепью из четырех повторяющихся молекулярных единиц как D.

Для анализа соответствующих механизмов вышеуказанного выпрямления феномена показаны спинозависимые зонные структуры при смещении ±0,6 В и спектры прохождения молекулярных наноструктур для M₂D на рис. 7. Внедряя одиночное азотное легирование в идеальную молекулярную наноструктуру, можно обнаружить, что спин-вверх электронная зона устройства в левом электроде смещается вдоль отрицательного энергетического уровня, тогда как для правого электрода зона стремится двигаться в положительном направлении на рис. 7a. Следовательно, мы находим, что подзона левого электрода связанна с подзоной правого электрода при E ≈ 0,25 эВ и пик прохождения переходит в окно смещения, в результате чего транспортный канал открывается при 0,6 В, способствуя зарядопереносу. Когда приложено напряжение −0,6 В для наноустройства на рис. 7b, энергетические зоны левого и правого электродов движутся в противоположных направлениях. Хотя подзоны левого и правого электродов все еще совпадают, существует почти нулевая вероятность прохождения в окне смещения, что является причиной малого тока при V_b = −0,6 В. Таким образом, выпрямляющее поведение получается здесь. В общем, феномен выпрямителя часто возникает в асимметричных молекулярных структурах [20], поэтому асимметрия молекулярных устройств — главная причина генерации этого поведения.

(Цвет онлайн) Спин-вверх зонные структуры левого/правого электродов и спин-вверх спектры прохождения AγGYNR с одиночным азотным легированием в смежной позиции для M₂D под смещениями a 0,6 и b −0,6 В. Область между двойными горизонтальными зелеными пунктирными линиями — соответствующее окно смещения.

Существует много эффектов ODS в наших моделях; для лучшей интерпретации основы ODS рисуем соответствующие диаграммы на рис. 8. Например, как ожидалось ранее, ODS, возникающий от 0,8 до 1,6 В в спин-вверх направлении с высоким PVR 36,8 для M₆D, выбран как пример. При смещении 0,8 В левые подзоны сильно совпадают с правыми, наименьшая свободная молекулярная орбиталь (LUMO) играет решающую роль на рис. 8a, в результате чего рассеивающий канал разрешается для перепрыгивания спин-вверх электронов. На рис. 8a есть зеленая пунктирная линия со стрелкой, описывающая, что транспортный канал открыт для электронного транспорта при 0,8 В. Высшая занятая молекулярная орбиталь (HOMO), играющая второстепенную роль, также способствует электронному транспорту при 0,8 В. Когда смещение увеличивается до 1,6 В, как показано на рис. 8b, энергия окна смещения также расширяется до ±0,8 эВ. Происходит появление более низкого пика прохождения в соответствующем окне смещения, но слабая связанность подзон обоих электродов находится в этой энергетической области, что приводит к ничтожно слабому пику прохождения в области рассеяния от левого к правому электроду. Следовательно, ODS возникает в спин-вверх токе, включая высокий PVR для M₆D с двойными азотными субституциями. Это может стать выдающимся кандидатом для спинового переключателя наноэлектронного устройства на основе AγGYNR в будущем. Поэтому генерация и транспортные особенности спин-поляризованных токов остаются жизненно важными вопросами для спинтронных устройств [73].

(Цвет онлайн) Спин-вверх зонные структуры левого/правого электродов и спин-вверх спектры прохождения AγGYNR с двойным азотным легированием для M₆D под смещениями a 0,8 В и b 1,6 В. Область между двойными горизонтальными зелеными пунктирными линиями — соответствующее окно смещения. Для наглядности максимум спектров прохождения на b установлен как 0,1.

Заключения

Подводя итог, комплексные ab initio расчеты на основе теории функционала плотности в сочетании с формализмом неравновесной функции Грина для 2D кресловидных 3-γ-графиновых листов и нанолент с включением атомов азота обладают множеством электронных и транспортных характеристик, очевидно отличающихся от хорошо известных графена и типичных графинов. Исследуя влияние одиночных или двойных дефектов азотного легирования AγGYNR, наши результаты подтверждают, что зонные структуры супер-ячеек сильно зависят от позиций легирующего вещества в центральном кольце C₆ нанолент. Мы можем получить некоторые полупроводниковые наноленты с узкой запрещенной зоной или проводники AγGYNR. Что касается транспортных свойств, разные длины молекулярных цепей индуцируют интересное поведение отрицательного дифференциального сопротивления, ожидаемое для наноэлектронных наноструктур. В частности, гексагональные кольца в середине нанолент играют жизненно важную роль в транспортных свойствах. Чем длиннее молекулярная цепь, тем более очевиден эффект ODS в наноструктурах с азотными субституциями. Для ключевых азот-легированных наноструктур M₂D и M₆D найдены спин-поляризованные токи с максимумами коэффициента выпрямления и отношения пик/падина 480% и 36,8 в спин-вверх направлении соответственно. Мы предлагаем отдельные физические механизмы, заметно предполагающие, что молекулярные наноструктуры AγGYNR наделены потенциальными приложениями для будущих наноэлектронных устройств.

Доступность данных и материалов

Проектирование наноструктур и вычислительные расчеты выполнялись с помощью ATK.

Аббревиатуры

2D:

Двумерный

ATK:

Atomistix ToolKit

AγGYNR:

Нанолента γ-графина с кресловидными краями

C₆:

Шестиуглеродное кольцо

DN:

Спин-вниз

E_F:

Энергия Ферми

HOMO:

Высшая занятая молекулярная орбиталь

LUMO:

Наименьшая свободная молекулярная орбиталь

ODS:

Отрицательное дифференциальное сопротивление

PDOS:

Спроецированная плотность состояний

PVR:

Отношение пик/падина

RR:

Коэффициент выпрямления

UP:

Спин-вверх