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碳基低维量子结构器件的输运特性研究
随着纳米科技的不断发展，碳基材料作为一种独特的材料，在电子学领域中得到了广泛的应用。低维碳材料，比如碳纳米管和石墨烯，由于其独特的能带结构和物理性质，在电子输运中表现出很多独特的特性。本文将着重探讨碳基低维量子结构器件的输运特性，并分析其在电子学中的应用前景。
一、介绍
碳基低维量子结构器件是一种归纳电子器件，其体现出了不同于传统电子器件的输运特性，其中包括：整体和局部能量隙的变化和大小、定向异性（anisotropy）界面强度和方位依赖（orientationdependence）、局部应变和晶格噪声影响等等。这些特性使得碳基低维量子结构器件在电子学中有着潜在的应用前景。
碳纳米管和石墨烯是最常见的低维碳材料。石墨烯由单层碳原子构成，呈现出曲率形状的半导体物态，碳纳米管则是由卷曲而成的。由于其能带结构和物理性质的独特性，石墨烯和碳纳米管在电子学中得到了广泛的研究。近年来，有学者开始尝试将这些低维的碳材料应用于量子器件的研究中，设计出了一些基于这些材料的新型器件。
二、碳基低维量子结构器件的输运特性
碳基低维量子结构器件的输运特性主要包括能带形状、整体能带隙和局部能带隙的变化、DOS和LDOS（局部态密度）的变化、端面效应和顺序效应、定向异性和晶格变形和微弱噪声等多种特性。
1.能带形状
在无限长的碳纳米管中，由于其结构的不同，管壳显示出了寄生式能带，其中具有不同内径和外径的不同寄生性质的管壳之间存在显著的相互作用作为一个集成结构。此外，石墨烯通过金属板压制将其弯曲，可以形成形状各异的量子点，并且石墨烯量子点的弯曲程度可以通过加压力来控制，从而改变其能带结构。这些特性表明，碳基低维量子结构器件的能带结构是可以通过控制结构和形状来实现的，这为其在电子学中的应用提供了更多的可能。
2.能带隙
能带隙是整个能带中能量最低的不连续区域。在碳纳米管中，能带隙大小在15meV和1eV之间变化。在胶束法生长的碳纳米管中，比较排列式可控切割方法意味着我们可以控制碳纳米管的直径，从而控制其能带隙。在单层石墨烯中，由于其具有强烈的pi键角成分，能带的最高点和最低点在两个六角形点之间，从而间接带隙被定义为零。此外，将外部场应用到石墨烯中，比如杂化化学基团、在外部电场中等等，可以改变其能带间隙的大小，从而控制其电子输运。
3.端面效应和顺序效应
在碳纳米管和石墨烯中，管壳和层间距的大小对其能带结构和电子输运有着显著的影响。具有相同的外径但不同的内径的碳纳米管存在大量的特征模式，这表明碳纳米管的器件性能可以通过其结构来有效地调控。此外，改变连接几何方式和处理条件也可以影响这些器件的性能。
4.定向异性
石墨烯在某些方向上具有非常高的电子流动性，这种方向依赖称为定向异性。这种特性可以通过选择以不同方向刻蚀的石墨烯片来实现，这可以通过控制电子输运方向来实现。
5.晶格变形和微小噪声
最近的研究表明，碳基量子结构器件的性能可以受到很小的晶格变形和噪声的影响。在实际应用中，这种变形和噪声是难以避免的，因此需要进行更多的研究来了解这种特性对器件性能的影响。
三、碳基低维量子结构器件的应用前景
在作为电子器件时，碳基低维量子结构器件的目的是将特定的信号（当一个电子控制其他电子速度时导致的微扰）传输到一个特定的输出（当电子影响已知的统计测量时采用），并且应该能够对多种输入信号进行编程。很多研究显示，碳基低维量子结构器件具有很多潜在的应用前景，包括传感器、存储技术和表面增强拉曼光谱技术（surface-enhancedRamanspectroscopy，SERS）。
1.传感器
碳基低维量子结构器件具有优异的传感性能，可以对周围环境中的氧气、磁场和化学分子等进行检测。不仅如此，碳纳米管和石墨烯在分子识别和筛选方面也表现出了极高的效率，这为其在生物技术和医学检测方面的应用提供了广阔的应用前景。
2.存储技术
目前，磁性存储技术是主要存储技术之一，但是由于热涨落和环境的磁性干扰等因素，其存储密度受到限制。碳基低维量子结构器件的小尺寸和高密度使其成为一种可以替代磁性存储技术的潜在选择。
3.表面增强拉曼光谱技术
表面增强拉曼光谱技术（SERS）是一种基于拉曼散射的高灵敏度分析技术。石墨烯和碳纳米管由于具有极高的比表面积和丰富的缺陷结构，可以实现高灵敏的SERS应用。目前，SERS技术已经在化学、生物领域广泛应用，在这方面，碳基低维量子结构器件的应用前景也非常广阔。
结论
碳基低维量子结构器件是一种新型的电子器件，其具有独特的输运特性和广泛的应用前景。碳纳米管和石墨烯是最常见的碳基低维材料，它们的能带结构和物理特性是理解碳基低维量子结构器件的关键所在。这种新型器件可以应用于传感器、存储技术和表面增强拉曼光谱技术等领域，可以达到比传统电子器件