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碳纳米管是一类由碳原子构成的圆筒形准一维量子线。它们不仅可以作为研究低维量子系统中许多奇特的量子现象的一个理想对象,同时也具有十分广泛的应用前景,特别是作为制备分子电子学器件的一种可能的材料。然而,为了能用碳纳米管搭建成结构更为复杂的、并具有特定功能的分子器件,存在两个十分基本的问题。第一是各种缺陷可能引起的效应,因为在制作器件的过程中必然要引入各种缺陷;第二是由多条路径相连接而成的结的性质。显然,各种结也将是实现分子电子器件所必不可少的组成部分。由于电子的波粒二像性,在这种尺度的器件中的电子行为已经不能用经典理论给出满意的描述,因此,这种器件的电子性质必须根据量子理论进行研究。本文用紧束缚模型和格林函数方法研究了它们的量子输运性质:研究有缺陷的碳纳米管缺陷和他的输运性质之间的关系。
本文一共分为三章。
第一章对碳纳米管的一些基本性质作了一个简短介绍,包括碳纳米管的几何结构与对称性、碳管的电子能带及其与碳管结构的关系。
第二章则简单概括了本文所用的基本理论方法,即基于紧束缚模型的迭代格林函数方法。
第三章主要讨论碳纳米管中的具有两个空位缺陷对碳纳米管电子输运性质的影响。计算结果表明,空位之间的相对位置△d=(nd,md)和输运性质有一定的联系。如果两个空位缺陷位于同一套子晶格上,当相对位置满足nd-md=3N,中性费米能附近的电导从2G0下降到一个量子电导G0;否则,即nd-md=3N±1,中性费米能附近的电导从2G0下降到0。当两个空位不位于同一套子晶格时,结果恰好相反。我们讨论这几种构型下它的电导,态密度(DOS)和颗粒噪声(shotnoise)。
我们使用π电子紧束缚模型探讨了有两个局域散射中心的金属碳纳米管的电子输运性质,显示了由于缺陷散射导致的电子波之间的干涉而引起的电导和Fano因子的谐振行为。我们发现,电导和散粒噪声强烈的依赖由于两个缺陷而形成的相因子φ。对于AA型缺陷(两个缺陷位于同一套子晶格)以及他们之间的相对距离远大于碳谈键长,在中性费米能(ε)F,当φ=1附近电导从两个量子电导下降到一个量子电导;相反,当φ=ω或者ω2,电导下降到0。对于AB型的缺陷,情况刚好完全反过来。当两个空位相对距离△d可以同碳碳键长可以比拟的时候,在(ε)=0附近会有很尖的能隙出现。
以上的结论对于所有的金属性纳米碳管都成立,而与他们的手征性无关。