石墨烯纳米带场效应管结构优化

石墨烯纳米带场效应管(graphene nanoribbon field effect transistor,GNRFET)作为后硅基时代集成电路基础器件的有力竞争者受到广泛关注。以数字电路应用为指向,基于密度泛函理论的计算仿真,对GNRFET的结构设计优化进行了研究。分析了宽度N=3m和N=3m+1(m为正整数)两系列半导体型石墨烯纳米带的传输特性,结果表明N=3m系的扶手椅型石墨烯纳米带(armchair GNR,AGNR)更适合作为晶体管的沟道。研究了掺杂对GNRFET性能的影响,得到明显n型特性,并确定了掺杂位置;探讨了沟道长度对器件的影响,得到了较大的开关电流比(约1 700)和较小的亚阈值摆幅(30～40 mV/decade)。这些优化手段有效提高了GNRFET的性能,可指导其设计和制备。

扶手椅型石墨烯纳米带场效应管的开关电流及复能带结构

基于对复能带结构的考虑,给出了扶手椅型石墨烯纳米带场效应管的量子输运计算结果,并比较了ID-VG曲线所给出的最小泄漏电流值与ID-VD曲线所给出的开电流值。对于纳米尺度下的石墨烯纳米带场效应管,为了获得最佳性能,指出在关状态下的泄漏电流与开电流之间存在某种折衷,也就是说,ID-VG曲线给出的较小/大的关状态泄漏电流可能伴随着ID-VD曲线的一个较小/大的开电流。随后利用复能带的特性对此作了解释。

石墨烯纳米带的制备技术及应用研究现状

石墨烯具有优异的力学、电学、光学、热学等物理性质,是当前新型材料的研究热点之一,被广泛应用在导电薄膜、储能元件、药物载体以及锂电池等领域。然而,石墨烯无带隙的特点限制其更广泛的应用,因此,通过技术手段打开石墨烯带隙成为学者们亟待解决的新问题。将石墨烯制成石墨烯纳米带(Graphene nanoribbons,GNRs)是打开其带隙的可行办法。因此,本文梳理了制备GNRs的不同方法,综述了其制备原理和研究进展,并对比了其优点和不足,提出了将不同方法的优点相互结合的复合制备方法,以实现可控、高效、高质量制备GNRs,最后介绍了GNRs在高性能传感器、场效应晶体管和光电探测器领域应用的研究进展和未来发展趋势。这对GNRs进一步应用在纳米器件中有一定的指导意义。

基于纳米孔的宽量程石墨烯压力传感器

针对传统微机电系统(MEMS)压力传感器性能难以提升且结构复杂等问题,制备了一种基于纳米孔的宽量程石墨烯压力传感器结构。在Si_(3)N_(4)薄膜上刻蚀了阵列纳米孔作为压力腔,使用单层石墨烯夹在氮化硼薄膜间作为敏感结构,平铺于纳米孔阵列上,由金布线层导出信号。测试表明,在0~20 MPa压力范围内,该压力传感器的灵敏度为9.35×10^(-5) MPa^(-1),重复性误差为满量程输出(FSO)的5.70%,迟滞为1.91%FSO,线性度为2.43%FSO,其重复性与线性度良好且迟滞较小。设计的宽量程石墨烯压力传感器能够实现0~20 MPa以内的压力测量,且器件加工一致性高、测量误差小、制备方法相对简单,有助于降低生产成本和提高生产效率,在压力测试领域展现出良好的应用前景。

石墨烯纳米网中的声子干涉效应

石墨烯纳米网(GNM)是一种具有周期性纳米孔分布的单层石墨烯,在热电能量转换、热能存储、场效应晶体管等领域具有广阔的应用前景.本文采用非平衡分子动力学与晶格动力学的方法对GNM的热输运机理进行研究.结果表明:GNM的导热系数随纳米孔数量的增加而减小,部分原因归因于声子布拉格散射引起的带隙产生和声子群速度的降低;横向和纵向纳米孔的间距共同影响GNM热输运过程,当水平间距较小时,GNM的导热系数随纵向间距的增大单调减小,随横向间距的增大单调增大;随着水平间距的增大,在声子干涉和散射的共同作用下,导热系数产生明显的波动.这些结论可为GNM中的热输运调控提供理论参考.

非对称HALO-LDD掺杂石墨烯纳米条带场效应管的电学特性研究(英文)

随着器件沟道尺寸的不断缩小,短沟道效应(SCE)和漏致势垒降低效应(DIBL)对常规类MOSFET结构的石墨烯纳米条带场效应管(GNRFET)影响变大,从而引起器件性能下降。文中提出了一种新型采用非对称HALO-LDD掺杂结构的GNRFET,其能够有效抑制器件中SCE和DIBL,改善器件性能。并采用一种量子力学模型研究GNRFET的电学特性,该模型基于二维NEGF(非平衡格林函数)方程和Poisson方程自洽全量子数值解。结合器件的工作原理,研究了GNRFET的电学特性和器件结构尺寸效应,通过与采用其他掺杂结构的GNRFET的电学特性对比分析,发现这种掺杂结构的石墨烯纳米条带场效应管具有更低的泄漏电流。

基于静电效应的石墨烯纳米孔选择性渗透特性

二维石墨烯纳米孔已被证明可作为一种可靠的分子筛,但仅仅依靠分子大小筛选效应很难实现混合气体分子的高选择性分离。本文采用分子动力学模拟方法研究表面电荷对石墨烯纳米孔分离CO2/N2混合分子选择性的影响规律,进而实现基于静电效应的石墨烯纳米孔分子选择性渗透,为提高石墨烯纳米孔的气体分离选择性提供一种可行的方法。模拟结果表明,表面施加负电荷后,随着负电荷密度的增加CO2分子的渗透率增加而N2分子的渗透率降低,石墨烯纳米孔展示出了CO2/N2的分离选择性;但是施加正电荷后,纳米孔的选择性几乎没有发生变化。静电效应引起的纳米孔选择性跟气体分子在带电石墨烯表面的不同吸附能力有关。当施加负电荷后,CO2分子的吸附能力增强,通过表面机制的渗透分子数增加,分子的平均渗透时间增加,总体渗透率提高;N2分子的渗透率由于CO2分子的抑制效应相应地随着负电荷的施加而降低。当施加正电荷后,CO2和N2分子的吸附能力都未发生明显的改变,CO2和N2分子的渗透率也未增加或减小,因此纳米孔没有展示出静电效应选择性。

表面装饰类石墨烯纳米粒子的磁性

为了研究交换作用对表面装饰类石墨烯纳米粒子的磁性影响,从微观量子角度对表面装饰类石墨烯纳米粒子建立Ising模型,写出描述系统的哈密顿量。基于蒙特卡洛模拟方法,研究了粒子内部铁磁交换作用和表面亚铁磁交换作用对系统的磁矩、磁化率、阻碍温度和阶梯效应的影响。数值计算结果表明,交换作用对系统磁性具有重要影响,在外场作用下,磁化曲线随温度的增加趋于一个稳定值,磁矩和磁化率曲线均会出现峰值现象,磁化率峰值对应的阻碍温度随交换作用增加而增大。此外,多重磁化平台现象也被发现,饱和磁矩对应的饱和磁场随交换作用增加而增大。这些结果对该类材料在自旋电子器件中的潜在应用具有指导意义。

表面限域效应下的区域选择性脱氢环化合成纳米石墨烯分子

纳米石墨烯作为一类重要的有机半导体材料在分子电子学、自旋电子学和光电子学中有着广泛的应用前景1–3。化学家利用设计的分子前驱体在溶液中自下而上地合成了众多具有不同尺寸和边界结构的纳米石墨烯分子4,为精细调控纳米石墨烯的电学性质提供了途径。但是溶液法合成过程经常受到副反应的影响,限制了目标产物的产率和提纯5,6。

石墨烯纳米复合材料光热效应研究进展

石墨烯具有良好的导热性和结构稳定性等优点,在光热转化材料的研究中显示出极大的优势,将其与光吸收系数高的纳米材料结合,从而增强材料的光热转化效率。本研究阐述了几种新型的光热转化材料的研究进展,分析了各种材料在实际应用方面的优缺点,讨论了光热转化材料的应用以及开发前景。

石墨烯/环氧树脂纳米复合材料温度传感器的热电阻效应

随着对温度传感器性能要求的不断提高,研制一种新型高性能温度传感器具有重要的意义。以石墨烯(graphene)为填料,环氧树脂(EP)为基体,通过超声及行星搅拌共混法制备了不同含量的石墨烯/环氧树脂纳米复合材料薄片,并在其两端加上电极制成温度传感器试件。同时,在温度范围30~100℃内研究了不同石墨烯含量对该纳米复合材料热-电阻效应的影响,并进一步分析了其影响机理。结果表明,温度传感器在测试温度升高时表现出负温度系数(NTC)效应,并且电阻以近似线性的趋势减小。另外,温度传感器中石墨烯的含量越高,电阻减小的幅度越小。同一传感器试件经过3次循环热处理之后,其热-电阻关系趋于稳定。

平面石墨烯纳米带隧穿场效应管理论设计

不同于传统的立体结构隧穿器件,本文给出了一种新型平面石墨烯纳米带隧穿场效应管的理论设计。基于石墨烯纳米带几何宽度调控禁带宽度的思想,构建"双十字形"石墨烯纳米带超晶格作为沟道,设计了石墨烯纳米带超晶格场效应管。从能带结构和传输谱上给出了该器件负微分电阻特性的理论解释,并由器件的输出特性得到了验证。在此基础上对器件的隧穿工作机理做出了探讨。该场效应管在一个器件上实现了多个负微分电阻区域,可应用于多值逻辑电路设计。

含氮-空位缺陷锯齿状石墨烯纳米条带中负微分电阻和自旋过滤效应

采用第一性原理和非平衡格林函数方法，系统研究了含氮空位缺陷锯齿状石墨烯纳米条带的自旋极化输运特性．理论计算结果表明边界非对称的这类石墨纳米条带的基态具有铁磁性，由其构建的分子结中负微分电阻效应具有鲁棒性，是电极局域的态密度及依赖偏压的散射区-电极耦合作用结果．此外，在特定偏压区域还观察到几乎完美的自旋过滤效应．

石墨烯-聚合物基纳米复合材料的光热效应分析

石墨烯作为一种优越的光热填充剂材料,其优异的近红外光吸收特性、光热转化性能,以及高比表面积和良好的热传导性能,与聚合物基体复合而形成了一类新型的光热转化智能复合材料,在光热治疗、光热驱动、微纳米机械等方面具有广阔的应用前景。然而,由于石墨烯填充浓度、光辐照光强等因素对光热转化过程中温度响应的影响并不清晰,成为制约该类复合材料实现实际应用的关键问题之一。为此,本文以能量平衡方程、朗伯比尔定律(Lambert-Beer law)以及牛顿冷却定律(Newton’s law of cooling)等理论为基础,分析其在近红外光辐照下的光热效应。探讨了石墨烯填充浓度、复合材料厚度以及光强等因素对复合材料光热转化过程中能量吸收、光热能量转化以及温度响应的影响,得到了光热转化达到饱和态时对应的复合材料厚度、石墨烯填充浓度等临界值,为石墨烯-聚合物基纳米复合材料的光热效应分析提供了理论方法,为其光热转化行为的调控及应用提供了理论基础。

石墨烯纳米片超声分散的研究

为获得分散均匀无污染、不团聚的的石墨烯纳米片,通过超声处理技术分散已团聚的石墨烯纳米片并研究了主要影响因素--超声功率和超声时间在分散过程中对石墨烯纳米片分散效果和结构的影响。利用场发射电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱、拉曼光谱、原子力显微镜对超声分散后的石墨烯纳米片的形貌、尺寸和结构进行表征与分析。结果表明,延长超声时间或增加超声功率可以显著提高石墨烯纳米片的分散效果,但相应的也一定程度降低了石墨烯纳米片的尺寸,生成大量的边缘型缺陷,尤其当功率过大或时间过长时甚至会生成空位缺陷。当超声功率960 W,超声时间4 h时石墨烯纳米片的分散效果最好,且破碎程度相对较低。

石墨烯纳米材料的生物效应研究获新进展

从中国科学院上海应用物理研究所获悉，我国科学家在对石墨烯这种新兴纳米材料的生物效应，特别是呼吸毒性的研究中获得新进展，相关成果近日在“自然·亚洲材料》上发表。

石墨烯场效应晶体管研究进展

制备场效应晶体管的石墨烯主要分三种类型:大面积单层石墨烯、石墨烯纳米带和双层石墨烯片。文中介绍了这三类石墨烯场效应晶体管器件的研究进展和标志性成果,探讨了石墨烯对于场效应晶体管的影响。研究认为:与大面积单层石墨烯晶体管相比,由石墨烯纳米带制得的石墨烯场效应晶体管的开关比和电流密度等性能能够大幅度提升,可应用于逻辑电路;与大面积单层石墨烯和石墨烯纳米带相比,双层石墨烯晶体管具有更高的开关比,因此其实际应用的潜力最大。

基于氧化石墨烯和碳纳米管的二元杂化物的阻燃性能研究

探讨了氧化石墨烯(GO)和碳纳米管(CNT)组成的二元杂化物在聚氨酯泡沫上的阻燃协效作用。利用层层自组装方法,将氧化石墨烯和碳纳米管构成的涂层构筑于软质聚氨酯泡沫的表面,然后通过宏观燃烧测试、锥形量热仪分析等手段对涂层改性的泡沫材料的阻燃性能进行分析。研究结果表明,相较于单一组分(CNT或GO),二元杂化物(CNT/GO)改性的聚氨酯泡沫材料显示出更低的热释放速率峰值和总的热释放量,并且其燃烧后残留的炭渣结构最为完整。因此,由GO与CNT组成的二元杂化物涂层具有更高的阻燃效果。

氮化硼/石墨烯共混对环氧树脂复合材料导热性和形状记忆效应的影响

采用不同摩尔比的熔融氢氧化钠和氢氧化钾剥离六方氮化硼。分别利用原子力显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察剥离效果发现,氢氧化钠和氢氧化钾摩尔比为2∶1时,氮化硼被剥离成4个原子层的氮化硼纳米片,剥离效果较好。为了提高环氧树脂的导热性,研究了不同质量比的氮化硼纳米片(BNNS)和石墨烯(Gr)混合物对其导热性能的影响。实验结果表明,BNNS和Gr混合物对环氧树脂导热性的影响优于单一的BNNS和Gr。当m(BNNS)∶m(Gr)=1∶4时,环氧树脂的导热系数最高,从纯环氧树脂的0.22 W/(m·K)增加到0.42 W/(m·K)。同时,该混合物还改善了环氧树脂的形状记忆效果,当m(BNNS)∶m(Gr)=1∶4时,复合材料的形状回复率可达到100%;70℃时,纯环氧树脂的形状回复时间为30 s,复合材料的形状回复时间缩短为4 s。

界面铁掺杂锯齿形石墨烯纳米带的自旋输运性能

基于密度泛函理论第一原理系统研究了界面铁掺杂锯齿(zigzag)形石墨烯纳米带的自旋输运性能,首先考虑了宽度为4的锯齿(zigzag)形石墨烯纳米带,构建了4个纳米器件模型,对应于中心散射区的长度分别为N=4,6,8和10个石墨烯单胞的长度,铁掺杂在中心区和电极的界面.发现在铁磁(FM)态,四个器件的β自旋的电流远大于α自旋的电流,产生了自旋过滤现象;而界面铁掺杂的反铁磁态模型,两种电流自旋都很小,无法产生自旋过滤现象;进一步考虑电极的反自旋构型,器件电流显示出明显的自旋过滤效应.探讨了带宽分别为5和6的纳米器件的自旋输运性能,中心散射区的长度为N=6个石墨烯单胞的长度,FM态下器件两种自旋方向的电流值也存在较大的差异,β自旋的电流远大于α自旋电流.这些结果表明:界面铁掺杂能有效调控锯齿形石墨烯纳米带的自旋电子,对于设计和发展高极化自旋过滤器件有重要意义.