石墨烯带—苯环—石墨烯带结构的电子输运.pdf

第36卷第2期江西师范大学学报(自然科学版)Vbl_36No．2
2012年3月JournalofJiangxiNormalUniversity(Na~ralScience)Mar．20l2

文章编号：1000—5862(2012)02-0116-04

石墨烯带一苯环一石墨烯带结构的电子输运

安雅娟，余陨金，万浪辉，卫亚东

(深圳大学物理科学与技术学院，广东深圳518060)

摘要：用非平衡格林函数和密度泛函理论相结合的第一性原理计算了石墨烯带一苯环一石墨烯带结构的伏
安特性和电流噪声，发现苯环和石墨烯导线不同的连接方式给出的电子输运和电流噪声性质有显著不同，1-4
连接下电流显著大于1．3连接．在研究量子器件时，量子噪声是不同于热噪声的，它是分析器件结构常用的

一种手段．研究发现这2种结构的散粒噪声和Fano因子也完全不同，对于1—3结构Fano因子接近1，而对于
1．4结构，Fano因子相对就较小．
关键词：石墨烯带；苯环；伏安特性；电流噪声；Fano因子
中图分类号：O469文献标志码：A

链连接到半无限长石墨烯带而形成的纳米结构的电
0引言流电压特性和电流噪声性质．发现石墨烯带接在苯
环的不同碳原子上，伏安特性曲线显著不同．本文
石墨烯(Graphene)是指单层石墨层，是一种由还对该结构的电流噪声作了计算．
碳原子按正六边形整齐排列，以sp2杂化连接的新型
2维原子晶体．2004年实验室首次制备出石墨烯I1】，系统结构和计算方法
此后，不仅对石墨烯的理论研究迅速展开，还逐步
掌握了各种制备石墨烯的方法，如机械剥离、氧化石墨烯带一苯环一石墨烯带的结构如图1所示，
石墨还原、气相沉淀【、有机合成等，制备出的左右两边以半无穷长石墨烯带作为导线，中间通过
石墨烯面积也逐步增大．在纳米尺度下，石墨烯材碳链连接一个苯环分子．苯环中碳原子的编号如图
料仍具有较好的稳定性和高载流子迁移率，是新一1所示．在结构1中，左右导线分别通过碳链连接在
代微纳电子学的理想材料[5。’】．石墨烯突破了传统材苯环的l、4号碳原子上，称为l一4结构；在结构2
料在尺度上的局限，为电路小型化开辟了新的道路，中，左右导线分别通过碳链连接在苯环的1、3号碳
尤其是可以将它裁剪成各种不同的纳米结构，使其原子上，称为1。3结构．2种结构都是典型的两端子
具有不同功能．在各种以石墨烯为材料的电子器件开放系统．所有碳原子未成键的兀键都由氢原子进
中，石墨烯纳米带(graphenenanoribbon，GNR)[8]作行饱和．本文用密度泛函理论和非平衡格林函数理
为基本结构经常被采用．从结构上看，常用的石墨论相结合的从头计算方法对这2种结构的电子输运
烯纳米带可以分为扶手椅型(armchair)和锯齿型特性进行计算，在计算中把系统分成中心散射区和
(zigzag)，其中锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)表现为左、右2根半无穷长导线，中心散射区包含了足够
金属性，扶手椅型石墨烯纳米带(AGNR)的性质视长的石墨烯带导线，以保证中心散射区边界处的电
其宽度而异]．势分布和电荷密度分布可以由相应位置无穷长的同
本文从密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数样石墨烯导线的电势分布和电荷密度分布决定．
(NEGF)相结合的从头计算(NEGF．DFT)的方法出发，对于两端子的纳米结构系统，电流可由Landauer．
应用Landauer．Btittiker公式，研究了苯环通过碳原子Btittiker公式[]得到(包含自旋简并)：

收稿日期：2012一O1．10
基金项目：国家自然科学基金(10947018)资助项目．
作者简介：余陨金(1972一)，男，江西武宁人，副教授，博士，主要从事理论物理研究
第2期安雅娟，等：石墨烯带一苯环一石墨烯带结构的电子输运117

器件工作，让有用的信号失真．但是对于量子器件，
噪声(Shotnoise)却能反映系统的内部结构性质["]．
在原子单位下，无磁场的自相关噪声(())的计
、，
算公式为
S=兀一Ide{[fL(1一)+厂R(1一fR)]TrlTI+
(厂L一厂R)Trf_(1一)，()
其中，(1)式中的第1项为热噪声的贡献，是由于载流
子的热激发引起系统的能态占据数发生涨落而产生
的，i濒随着温度的减小而趋于0；(1)式中的第2项
为散粒噪声(shotnoise)，与电子的传输几率相关，
是电子量子传输行为的表现，是不可避免的，即使
黑色球代表碳原子C，灰色球代表氢原子H；(a)1．4结构：石墨烯在温度为0时也不能消失．温度为0时，热噪声为
带通过碳链连接苯环1、4原子；(b)l一3结构：石墨烯带通过碳链
0，只有散粒噪声，噪声公式简化为
连接苯环1、3原子．
S=7cfUI，旧r『(1一于)计(2)
图1石墨烯带