王麗華，丁秉鈞

(1.山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009；2.西安交通大學(xué)理學(xué)院，陜西西安710049)

Aviram 和Ratner 在1974 年首次提出了分子整流器的概念[1]，此后由于它在分子存儲和邏輯電路中的廣泛應(yīng)用而引起了廣泛關(guān)注。Li 等的研究[2]發(fā)現(xiàn)，金屬原子鈍化TG/氫原子鈍化TG 異質(zhì)結(jié)的整流方向與非金屬原子鈍化TG/氫原子鈍化TG 的異質(zhì)結(jié)相反。Deng 等的研究[3]證明，通過硼-氮鍵連接兩個(gè)TG的整流比隨其尺寸增大顯著提高。Ling 等人[4]計(jì)算了兩個(gè)TG 通過硼、氮或硼-氮連接異質(zhì)結(jié)的電子輸運(yùn)特性。研究結(jié)果證明，隨硼-氮鍵增加，整流比和負(fù)微分電阻效應(yīng)都減小。

實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)成功制備出了單層六方硼氮(h-BN)納米片[5]，它是類似蜂窩晶格中硼和氮原子交替的類石墨烯絕緣材料。事實(shí)證明，h-BN 中硼和氮原子也會形成非常強(qiáng)的sp2鍵，從而形成與石墨烯類似的平面結(jié)構(gòu)。值得注意的是，Gao 等人[6]在鈦(111)表面成功生長了h-BNC。Qiu 等人[7]提出扶手椅型h-BNC的整流特性和負(fù)微分電阻效應(yīng)可通過接觸原子及元素比例調(diào)節(jié)。此外，在邊界類型改變的鋸齒型h-BNC 中觀察到了整流行為，其電子輸運(yùn)特性與邊界類型密切相關(guān)，而與雜化納米帶的寬度無關(guān)[8]。文章采用密度泛函理論(DFT)結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法(NEGF)，研究了由不同頂點(diǎn)原子和不同元素比例的三角形h-BNC和TG構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的整流性能。

1 模型和計(jì)算方法

如圖1 所示，構(gòu)建的異質(zhì)結(jié)由三角形h-BNC 和TG 組成，每個(gè)模型都可分為左電極(LE)，散射區(qū)(SR)和右電極(RE)三個(gè)區(qū)域，這種異質(zhì)結(jié)具有最小的接觸界面，可有效防止三角形h-BNC 和TG 之間的分子態(tài)混合。其中藍(lán)色，粉色和灰色小球分別代表氮原子，硼原子和氫原子。為了保持穩(wěn)定性，所有邊界原子的懸掛鍵都被氫原子飽和。兩個(gè)半無限扶手椅型石墨烯(AGNR)電極都由沿輸運(yùn)方向兩個(gè)重復(fù)的AGNR 超原胞構(gòu)成?？紤]到分子和電極之間的屏蔽效應(yīng)，散射區(qū)在靠近電極處包含兩個(gè)AGNR 晶胞。h-BNC 中的元素比例用P=N硼+氮/N硼+氮+碳表示，其中N硼+氮表示硼原子和氮原子數(shù)目之和，N硼+氮+碳表示硼原子、氮原子和碳原子總數(shù)。如圖1(a)～(d)所示，四個(gè)模型分別命名為E1(p=6/22，氮-碳鍵)，E2(p=13/22，氮-碳鍵)，F(xiàn)1(p=6/22，硼-碳鍵)和F2(p=13/22，硼-碳鍵)。為了消除異質(zhì)結(jié)與其鄰近鏡像之間發(fā)生相互作用，在x和y方向都添加了15?的隔離層。

圖1 三明治異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型圖

文章涉及的計(jì)算均使用基于DFT 結(jié)合NEGF 的Atomistix Toolkit (ATE) 程序包完成[9]。該方法已經(jīng)被很多研究人員采用，他們的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很符合[10]，充分說明了該方法的可靠性。輸運(yùn)計(jì)算中，電子采用Troullier -Martins 標(biāo)準(zhǔn)守恒贗勢描述，交換相關(guān)勢采用局域密度近似(LDA)。平衡密度矩陣采用等值線積分法計(jì)算，非平衡密度矩陣在虛部為0.001 eV 的直線上進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。為實(shí)現(xiàn)計(jì)算效率和精度的平衡，所有原子均采用SZP 擴(kuò)展波函數(shù)，電子溫度固定在300 K，k-mesh 在x、y、z方向分別采用1、1、100，其中z為AGNR 的周期方向，截?cái)嗄芎兔芏染仃嚨氖諗繕?biāo)準(zhǔn)分別設(shè)置為200 Ry 和10-4。器件的電子和輸運(yùn)特性使用開放邊界條件描述。首先松弛每個(gè)模型的原子位置，直到作用在每個(gè)原子上力的絕對值小于0.05 eV/? 。平均費(fèi)米能級(EF)，即左右電極化學(xué)勢的平均值，設(shè)置為零。在自洽計(jì)算中，電荷密度沿半圓積分超過400個(gè)能量點(diǎn)。

自洽計(jì)算收斂后，通過雙探針系統(tǒng)的電流通過類Landauer 公 式[11]I=T(E,Vb)dE計(jì) 算，其中，T(E,Vb)是在能量E 和偏壓Vb時(shí)的透射系數(shù)，μL(μR)是左(右)電極的電化學(xué)勢，它們的差值為μL-μR=eVb。因此，電流僅由偏壓窗內(nèi)透射系數(shù)的積分確定。左(右)電極為陰(陽)極時(shí)產(chǎn)生正電流。否則，就會產(chǎn)生負(fù)電流。

2 結(jié)果與討論

電流-電壓(I-V)曲線(偏壓為-2.2～2.2 V）如圖2所示。首先，四個(gè)模型都具有相同的特性，即在-1.8～1.8 V 范圍內(nèi)電流被完全抑制，而當(dāng)偏壓的絕對值大于1.8 V時(shí)才產(chǎn)生了電流。這個(gè)結(jié)果與之前報(bào)道的不同頂點(diǎn)原子摻雜的兩個(gè)TG 相吻合[12]。其次，對模型E1 和E2，正偏壓電流總大于負(fù)偏壓電流。而模型F1和F2 表現(xiàn)出了相反的特性，即負(fù)偏壓電流總大于正偏壓電流。最后，模型E2 和F2 的I-V曲線非對稱性比其它兩個(gè)模型更明顯。這種非對稱性用整流比表示，如圖2(a)和(b)圖所示。對于模型E1和E2，整流比定義為正偏壓電流與負(fù)偏壓電流的絕對值之比，即RR=I(V)|I(-V) |。因此RR＞1(RR＜1)，表示正向(反向)整流。而對于F1 和F2，整流比通過RR=|I(-V)|I(V)計(jì) 算，RR＞1(RR＜1) 表示反向(正向)整流。此外，從圖2(a)和(b)圖發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)有趣的整流特性：①整流方向取決于h-BNC 的頂點(diǎn)原子類型(氮或硼)。頂點(diǎn)原子為氮時(shí)的E1 和E2 表現(xiàn)出正向整流特性，而頂點(diǎn)原子為硼時(shí)的F1 和F2 表現(xiàn)出反向整流特性；②正向或反向整流比與元素比例相關(guān)。模型E2(F2)中的元素比例較大，正向(反向)整流效應(yīng)明顯比E1(F1)的強(qiáng)。綜上所述，h-BNC 的頂點(diǎn)原子類型可控制異質(zhì)結(jié)的整流方向，而具有相同頂點(diǎn)原子異質(zhì)結(jié)的整流比可通過元素比例調(diào)節(jié)。

圖2 I-V特性曲線

為了理解上述四種模型的整流特性，計(jì)算了隨能量和偏壓變化的透射譜，如圖3 所示，其中EF如上所述設(shè)置為零。一般認(rèn)為透射譜是器件量子輸運(yùn)特性最直觀的表征。從圖3 可以看到，隨偏壓增加，透射譜發(fā)生了很大變化。對于模型E1，正偏壓時(shí)偏壓窗內(nèi)總會出現(xiàn)一個(gè)大透射峰，而負(fù)偏壓時(shí)只在EF附近出現(xiàn)了一個(gè)很小的透射峰，導(dǎo)致正偏壓電流總是大于負(fù)偏壓電流，從而產(chǎn)生了正向整流。模型E2 與E1 的情況相似，因此E2 仍呈現(xiàn)正向整流，但由于負(fù)偏壓時(shí)偏壓窗內(nèi)的輸運(yùn)系數(shù)接近零，導(dǎo)致其整流比明顯大于模型E1。模型F2 負(fù)(正)偏壓時(shí)偏壓窗內(nèi)的透射譜明顯大(小)于F1，帶來F2較大的反向整流比。

圖3 不同偏壓下的透射譜

為了明確不同軌道對整流特性的貢獻(xiàn)，圖4展示了± 2 V 時(shí)SR 區(qū)域的總態(tài)密度(DOS)和投影態(tài)密度(PDOS)。對于所有模型，觀察到DOS 峰值主要來自p軌道的貢獻(xiàn)，即s、d或f軌道對總DOS 的貢獻(xiàn)很小或沒有貢獻(xiàn)。值得注意的是，DOS 和PDOS 強(qiáng)烈依賴于偏壓的極性，這有助于在納米器件中實(shí)現(xiàn)整流效應(yīng)。

圖4 ±2 V時(shí)的DOS和PDOS

對于模型E1和E2(F1和F2)，p軌道在正(負(fù))偏壓時(shí)的總DOS和PDOS 峰值大于負(fù)(正)偏壓的值，因此，模型E1和E2(F1和F2)表現(xiàn)了正向(反向)整流特性。

3 結(jié)語

應(yīng)用DFT 結(jié)合的NEGF 的理論，研究了三角形h-BNC 和TG 夾在兩個(gè)AGNR 電極之間形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子輸運(yùn)性質(zhì)。結(jié)果表明，通過改變頂點(diǎn)原子類型和元素比例p(P=N硼+氮/N硼+氮+碳)可有效調(diào)節(jié)構(gòu)建體系的整流效應(yīng)。當(dāng)h-BNC 和TG通過氮-碳對結(jié)合時(shí)，出現(xiàn)了正向整流行為。而當(dāng)h-BNC和TG 通過硼-碳對結(jié)合時(shí)，觀察到了反向整流行為。此外，h-BNC中的元素比例P越大，正向(反向)整流比越大。