單層及有限層石墨體系的掃描隧道顯微鏡圖像模擬與納米電子器件的理論研究.pdf

1、隨著硅芯片加工工藝進(jìn)入30納米以下，傳統(tǒng)的CMOS工藝將日趨極限，基于新材料發(fā)展出具有量子效應(yīng)的電子器件，已成為21世紀(jì)科學(xué)研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。2004年單層石墨的發(fā)現(xiàn)引領(lǐng)了該領(lǐng)域研究的一場(chǎng)新浪潮。這種標(biāo)準(zhǔn)的二維材料顯示出優(yōu)異的晶體結(jié)構(gòu)及良好的電學(xué)性質(zhì)，基于單層石墨的碳基集成電路有望通過(guò)改進(jìn)的刻蝕技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。此外單層石墨中的準(zhǔn)粒子服從相對(duì)論狄拉克方程，而不是傳統(tǒng)半導(dǎo)體所遵循的薛定諤方程，這就為利用這種二維平面凝聚態(tài)的材料來(lái)研究量子電動(dòng)力

2、學(xué)提供了可能。 第一章簡(jiǎn)要介紹了一下現(xiàn)有硅工藝的局限性，碳納米管的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用，單層石墨的發(fā)現(xiàn)及單層石墨中奇特的無(wú)質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子，以及現(xiàn)有制備單層石墨的方案。 第二章利用緊束縛近似的模型，解析求解了單層及有限層石墨π軌道的本征態(tài)和本征值，進(jìn)而構(gòu)造出其相應(yīng)的傳播子(實(shí)空間格林函數(shù))。在有效質(zhì)量的框架下，單層及有限層石墨實(shí)空間格林函數(shù)可以解析的表達(dá)為空間各向同性和空間各向異性兩部分的乘積。其中各向同性的部分僅依賴于兩個(gè)碳原子

3、之間的相對(duì)距離，而各向異性部分由正旋和余旋函數(shù)決定，具有120°的對(duì)稱性。利用得到的格林函數(shù)的解析表達(dá)式，結(jié)合Dyson方程，模擬了單層石墨上單個(gè)雜質(zhì)和多雜質(zhì)構(gòu)成的量子?xùn)艡?，雙層石墨上單個(gè)、多個(gè)空位缺陷以及長(zhǎng)、短程勢(shì)的掃描隧道顯微鏡圖像。結(jié)果表明當(dāng)雜質(zhì)不破壞石墨表面固有的對(duì)稱性時(shí)，其相應(yīng)的掃描隧道顯微鏡圖像都呈現(xiàn)出120°的對(duì)稱性。通過(guò)研究多層石墨表面電子結(jié)構(gòu)隨層數(shù)的衍化，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)雙層石墨的表面電子結(jié)構(gòu)可近似由多層石墨來(lái)反映，這就為實(shí)

4、驗(yàn)上通過(guò)體材料石墨樣品來(lái)定性研究雙層石墨表面電子結(jié)構(gòu)提供了可能。 第三章在緊束縛近似的框架下，通過(guò)朗道模型研究了單層石墨條帶在彈道區(qū)的輸運(yùn)性質(zhì)，并利用新穎的物理現(xiàn)象設(shè)計(jì)出多種量子器件。設(shè)計(jì)的器件包括： 1、Z形的量子點(diǎn)器件。將扶手椅形和鋸齒形石墨條帶接在一起形成半導(dǎo)體/金屬/半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)，量子點(diǎn)可以被束縛在金屬部分。同時(shí)該結(jié)構(gòu)具有很好的抗擾動(dòng)性，不會(huì)由于雜質(zhì)、襯底和邊界破損的影響而破壞量子點(diǎn)的存在。 2、鋸齒形