Spin-aufgeloste elektronische en transport-eigenschappen van graphyne-nanojuncties met variabele stikstofsubstitutieplaatsen

Samenvatting

Sinds de snelle theoretische vooruitgang op het gebied van tweedimensionale graphyne-nanostroken en -juncties, onderzoeken we de elektronische bandstructuren en transporteigenschappen van juncties gebaseerd op armchaarrandige γ-graphyne-nanostroken (AγGYNRs) met asymmetrische stikstof (N)-substitutie in de centrale koolstofhexagoon. Met behulp van first-principles berekeningen tonen onze computationele resultaten aan dat het aantal en de locatie van enkele of dubbele N-doping de elektronische energiebando efficiënt kunnen moduleren, en dat de N-gedopte hexagonale ringen in het midden van de junctie een cruciale rol spelen in het ladingstransport. In het bijzonder wordt het effect van negatieve differentiële weerstand (NDR) waargenomen, met een piek-tot-valverhouding (PVR) van maximaal 36,8. Interessant genoeg kan een N-gedopte junctie met een langere moleculaire ketting in het centrale spreidingsgebied een duidelijker NDR-gedrag induceren. De microscopische mechanismeverklaring wijst erop dat de asymmetrisch N-gedopte junctie, door een langere moleculaire ketting te introduceren, een duidelijker pulsachtige stroom-spanningsafhankelijkheid kan produceren door de aanwezigheid van een transportkanaal binnen het biasvenster onder een hogere biasspanning. Bovendien, wanneer spininjectie in aanmerking wordt genomen, is een intrigerend rectifierend effect in combinatie met NDR beschikbaar, wat veelbelovend is voor toekomstige spintronische toepassingen.

Inleiding

Verscheidene tweedimensionale (2D) koolstofmaterialen zijn aangetoond als potentiële kandidaten voor spintronische apparaten [1-5]. Recentelijk zijn steeds meer experimentele studies op 2D koolstofmaterialen op dit gebied uitgevoerd [6-11]. In het bijzonder zijn graphene [12-15] en graphyne [16-19] nanostrukturen en gerelateerde apparaten [20-22] theoretisch voorgesteld. Vervolgens zijn waardevolle effecten van rectificatie [12, 20], schakeling [13, 23], negatieve differentiële weerstand (NDR) [23-25] en spinfiltering [26-28] in deze apparaten waargenomen. Verder worden graphene en graphyne materialen beschouwd als elektrodematerialen voor spintronische moleculaire juncties, vanwege hun uitstekende elektronische en transporteigenschappen.

Zoals bekend is, tonen onderzoeken aan dat graphene-nanostroken experimenteel kunnen worden aangepast en gesneden in veel structuren als moleculaire apparaten [29, 30]. Op dezelfde manier zijn graphynestructuren [17-19, 31, 32] samengesteld uit koolstofatomen, die instelbare elektronische en transporteigenschappen bezitten die beter zijn dan die van graphene. Recentelijk is aangetoond dat graphdiyne-filmen op koperoppervlakken kunnen worden gegenereerd door een cross-coppeling reactiemethode [8]. Een rationele aanpak om graphdiyne-nanowanden te synthetiseren met een gemodificeerde Glaser-Hay koppelingreactie is gerapporteerd door Zhou et al. [9]. Echter, een gerelateerde experimentele observatie blijft langdurig een echte uitdaging. In de loop van de tijd is de graphyne-nanostrook ook dringend in afwachting om experimenteel in juncties te worden voorbereid via de cross-coppeling reactiemethode, energierijke elektronenbestraaling binnen een transmissie-elektronenmicroscoop [8, 29, 30]. Verder, vanwege de hoge ladingsdragermobiliteit en voortdurende elektronische kenmerken [4, 33], krijgen graphynestructuren waaronder α- [34, 35], β- [36], γ- [37], 6,6,12- [27], α-2- [38], δ- [39], 14,14,14-graphyne [40], en gerelateerde heterojuncties [41, 42] steeds meer aandacht in theorie. Er is echter een tekort aan onderzoeken naar de transporteigenschappen van verschillende lengte-gestuurde moleculaire ketens samengesteld uit herhaalde moleculaire eenheden tussen twee semi-oneindige γ-graphyne nano-elektroden.

De γ-graphyne nanostrook (γGYNR) [43], die kan worden geclassificeerd in armchaar- en zigzag-randen, vertoont halfgeleidergedrag met een bandkloof ongeacht de randen [18]. Verder wordt de armchaar γGYNR (AγGYNR) minder gebruikt om een spintronische en moleculaire junctie te construeren dan de zigzag-variant [44-46], omdat het een grotere bandkloof heeft dan de zigzag-nanostrook [18]. Maar N-doping is gerapporteerd om de elektronische en transporteigenschappen van graphene en graphyne te veranderen [47-51], wat in staat is de bandkloof te vernauwen. In een experiment is N-doping geïmplementeerd in het graphene-vel [52, 53]. Echter, de γGYNR is voorspeld om halfgeleiders te zijn met kleine effectieve ladingsdragermassa's en hoge ladingsdragermobiliteit zoals graphene [4]. Eerdere theoretische onderzoeken over dopanten hebben ook intrigerende elektronische of transporteigenschappen van GYNR getoond [49, 50, 54, 55]. Recente experimentele onderzoeken op graphdiyne NRs [8, 9] en apparaten zonder of met N-doping [56, 57] zijn ook gerapporteerd. Bovendien bieden de acetylenische koppelingen tussen twee koolstofhexagonen voor γGYNR veel natuurlijke gaten om de doping van verschillende kandidaten als n-doping of p-doping halfgeleiders te realiseren. Het is dus essentieel om enkele of dubbele N-doping in ons voorgestelde AγGYNR-juncties te overwegen.

Gemotiveerd om de spin-elektronische en transporteigenschappen van verschillende lengte-instelbare moleculaire ketens die tussen twee semi-oneindige AγGYNRs zijn ingesloten met verschillende N-substitutieposities, dieper te begrijpen, hebben we het computationele werk uitgevoerd met behulp van first-principles berekening in combinatie met een Landauer-Büttiker benadering. De resultaten van de theoretische simulatie suggereren dat N-doping de energiekloof van 3-AγGYNR-juncties efficiënt kan verminderen, waarna enkele N-doping van M₂ en dubbele N-doping van M₆ de spinverdeling van de energiebando kunnen induceren. De transportstroom van de 3-AγGYNR-junctie zonder N-doping wordt zwakker naarmate het aantal herhaalde eenheden in het spreidingsgebied toeneemt; in tegenstelling tot dit, worden de stromen geïntensifieerd met een langere moleculaire ketting voor 3-AγGYNR-juncties met enkele of dubbele N-substitutieposities. Interessant genoeg worden rectificatie en duidelijke NDR-effecten waargenomen in de N-doping juncties van M₂ en M₆. Dergelijk gedrag ontstaat uit de verschillende koppeling tussen de twee elektroden en het spreidingsgebied. Om het mechanisme van NDR-gedrag op microscopisch niveau te verklaren, toont de reden aan dat de langere moleculaire ketting in de asymmetrisch N-gedopte juncties een duidelijker pulsachtige stroom-spanningsafhankelijkheid kan induceren door het bestaan van een geopend transportkanaal binnen het corresponderende biasvenster onder hogere bias. Bovendien heeft de hexagonale ring met N-substitutieposities een cruciale invloed in het transportproces.

Het papier is als volgt ingedeeld: In de sectie "Modellering en Computationele Methoden" worden de junctiebeschrijving en methode voorgesteld. Vervolgens beschrijven we de resultaten en discussies over hun interne mechanismen in de sectie "Resultaten en Discussies", en de computationele resultaten worden samengevat in de sectie "Conclusies".

Modellering en Computationele Methoden

De moleculaire draden bestaande uit 1 tot 4 herhaalde moleculaire eenheden, die samengesteld zijn uit een benzeen en een aceteenyl zonder of met N-doping, worden getoond in het middenpaneel van Fig. 1 met vier groene gestippelde rechthoekige kaders. Het spreidingsgebied van de moleculaire ketting met N-substitutiepositie is ingesloten tussen twee symmetrische semi-oneindige AγGYNRs, waar respectievelijk 1-herhaalde moleculaire ketting (A), 2-herhaalde moleculaire draad (B), 3-herhaalde moleculaire ketting (C) en 4-herhaalde moleculaire ketting (D) worden toegepast. We kiezen de 3-AγGYNRs als elektrode hier vanwege de symmetrische structuur van een π-σ-π architectuur. De linke lead, het spreidingsgebied en de rechter lead zijn opgenomen in onze ontworpen nanojuncties, en alle koolstofatomen aan de rand van de apparaten zijn verzadigd met waterstofatomen om de stabiliteit van de structuren te verbeteren [18, 43, 45, 46]. Voor onze voorgestelde apparaten zijn de moleculaire ketens gemakkelijk direct in juncties te trekken of te bewerken via een mechanische methode of chemische reactie vanuit een geheel γGYNRs in experiment zoals de andere structuren [29, 30, 56]. Voor duidelijkheid wordt het hoofdzicht in het bovenste paneel van Fig. 1 gebruikt door de super-eenheidscel met enkele N-substitutiepositie in de centrale positie, welke M₁ genoemd wordt in de tweede afbeelding van het onderste paneel in Fig. 1. Voor gemak worden de atomaire substitutieposities van de C₆ ring genummerd als 1, 2, 3, 4 en 5 zoals aangegeven onder de corresponderende atomen van het rode frame, respectievelijk. Op dezelfde manier wordt het onberispelijke apparaat zonder N-doping M₀ genoemd, waar de modellen met twee typische enkele N-substitutieposities (vervangen van de atomaire posities 1 of 2) M₁ en M₂ zijn, en de modellen met vijf typische dubbele N-doping op verschillende substitutieposities (vervangen van de atomaire posities 1/5, 2/3, 2/4, 1/4 en 1/2) worden M₃–M₇ genoemd, respectievelijk. Het rode beschaduwde deel omringd door een gestippeld rechthoekig kader in het hoofdzicht van Fig. 1 is de periodieke supercel van de nanostrook, welke vervangen wordt door de acht modellen. Er zijn dus in totaal 32 typische modellen onderzocht. Bijvoorbeeld, de junctie van M₁ met de enkele N-instellingpositie van 1 inclusief een moleculaire ketting van vier herhaalde moleculaire eenheden als D zou M_1D moeten heten.

(Kleur online) Schematische weergaven van de twee-meetsystemen. Voor duidelijkheid wordt het apparaat met enkele N-doping (de tweede supercel in het onderste paneel als M₁) van AγGYNR gekozen als hoofdschema in het bovenste paneel. De blauw beschaduwde rechthoekige gebieden geven de linker en rechter leads aan, ertussen ligt het centrale spreidingsgebied. De grijze, witte en blauwe massive bolletjes vertegenwoordigen respectievelijk koolstof, waterstof en stikstofatomen. De transportrichting is langs de z-as. Verder kan de groen beschaduwde moleculaire eenheid in het hoofdschema periodiek gerepliceerd worden, wat leidt tot de productie van de vier structuren met verschillende lengtes van moleculaire ketens inclusief benzeen- en aceteenylmoleculen in het middenpaneel, welke A–D genoemd zijn. Bovendien duidt het rode beschaduwde frame de periodieke supereenheidscel van de nanostrook aan die kan worden veranderd door die van M₀–M₇ zonder of met enkele/dubbele N-substitutieposities in het onderste paneel. Voor gemak worden de atomaire posities van de C₆ ring genummerd als 1, 2, 3, 4 en 5 zoals aangegeven onder de corresponderende atomen van het rode frame, respectievelijk.

We optimaliseren eerst alle structuren van eenheidscellen en moleculaire juncties door de dichtheidsfunctionaaltheorieberekening in het Atomistix ToolKit (ATK) pakket [46-48, 58] te implementeren. Volgens de optimalisatieresultaten benadert de bindingsafstand van de stikstof- en koolstofatomen 1,43 Å, wat geschikt is om het koolstofatoom te vervangen met een vergelijkbare bindingslengte 1,43~1,46 Å van een C–C binding in γGYNRs [31, 59]. Bovendien is de C ≡ C binding van het systeem tussen de dichtstbijzijnde buur-benzenen nog steeds stabiel na optimalisatie. We kiezen de structuren als onze modellen met lagere totale energien. Het energieverschil tussen supereencellen met enkele N-doping is 0,57 eV, en dat met dubbele N-doping stijgt tot 1,63 eV, wat experimenteel gemakkelijker te realiseren wordt geacht. Dus deze moleculaire juncties kunnen als nieuwe apparaten met N-doping worden toegepast. De gedetailleerde computationele parameters zijn als volgt geïmplementeerd. We gebruiken norm-conserverende pseudopotentialen en de spin-gegeneraliseerde gradiëntbenadering met Perdew, Burke, en Ernzerhof functionaal voor uitwisselings-correlatiepotentiaal [60-62]. De computationele geometrieën worden geoptimaliseerd totdat alle residuele krachten op elk atoom kleiner zijn dan 0,02 eV Å⁻¹. Voor de berekeningen van de elektronische structuur wordt een k-punt rooster van 1 × 1 × 15 Monkhorst-Pack in de Brillouin-zone gebruikt. Het Monkhorst-Pack rooster van wederzijdse ruimtesampling voor de spin-afhankelijke transportberekening is 1, 1 en 100 in de x, y en z richtingen, respectievelijk, en de afsnijenergie is 150 Ry. De dubbele-ζ gepolariseerde basisset is ingesteld voor alle elementen inclusief C, H en N. Verder is het convergentiekriterium voor totale energie ingesteld op 10⁻⁵ eV. Aangezien de transportrichting is ingesteld op de z-as, wordt een interlaag vacuümafstand van ~ 25 Å gebruikt om interacties tussen de periodieke beelden te vermijden [63, 64]. Het transmissiespectrum als functie van energie (E) en biasspanning (V) wordt gedefinieerd als

$$ T\left(E,V\right)=\mathrm{Tr}\left[{\Gamma}_L\left(E,V\right){G}^R\left(E,V\right){\Gamma}_R\left(E,V\right){G}^A\left(E,V\right)\right], $$

waarbij G^R(A) de vertraagde (gevorderde) Green's functie is van het centrale spreidingsgebied en Г_L(R) de koppelingsmatrix van de linker (rechter) elektrode. De spin-transportstroom wordt berekend met behulp van de Landauer-Büttiker formule [65-68]

$$ I(V)=\left(\frac{\mathrm{e}}{h}\right){\int}_{\mu_L}^{\mu_R}T\left(E,\right.\left.V\right)\left[{f}_L\left(E-{\mu}_L\right)-{f}_R\left(E-{\mu}_L\right)\right] dE, $$

waarbij de μ_L/R = E_F ± eV/2 het electrochemische potentieel is in termen van de Fermi-energie (E_F) van het materiaal gemeenschappelijk aan beide leads onder een externe V, en de Fermi-Dirac verdelingsfunctie is \( {f}_{L/R}(E)=1/\left[1+{e}^{\left(E-{\mu}_{L/R}\right)/{\kappa}_BT}\right] \) in de linker/rechter lead.

Resultaten en Discussies

Om de praktische elektronische bandstructuurberekeningen uit te voeren, wordt de periodieke supereenheidscel met N-doping langs de z-richting van de strookas beschouwd. Voor het gemak van contrastobservatie tonen we alle eenheidscellen in de vorm van illustraties voor M₀–M₇ in Fig. 2a–h. Voor onze voorgestelde juncties wordt de centrale hexagonale ring met de N-instellingpositie beschouwd als een significante invloed op de transporteigenschappen. Daarom worden de centrale C₆ ringen met N-doping omringd door een blauw gestippeld frame met een blauw beschaduwd gebied, waarin de geprojecteerde dichtheid van toestanden ook is berekend en getoond in de rechterpanelen van Fig. 2a–h.

(Kleur online) De elektronische bandstructuur (in de linkerpanelen) en spindichtheidsverdeling (de insetten in de rechterpanelen van elke afbeelding met rode en blauwe wolken die positieve en negatieve elektronen aanduiden) voor de supereencellen van M₀–M₇ overeenkomend met a–h. De horizontale blauwe gestippelde lijn is ook getekend om de positie van het Fermi-energieniveau aan te geven. De geprojecteerde dichtheid van toestanden (PDOS) in de rechterpanelen van a–h is de dichtheid van toestanden ten opzichte van alle atomen van de hexagonale ringen binnen het blauw beschaduwde frame, respectievelijk. Hier vertegenwoordigen de rode en groene lijnen de spin-opwaarts (UP) en spin-neerwaarts (DN) componenten voor M₂ en M₆ in c en g.

Eerst onderzoeken we de structurele en elektronische kenmerken van AγGYNRs. Zoals getoond in Fig. 2a, toont de elektronische band van de onberispelde supereenheid voor M₀ aan dat de AγGYNR een halfgeleider is met een directe energiekloof van 1,16 eV. Het laagste geleidingsband en het hoogste valentieband ontstaan uit π* en π sub-band, respectievelijk [37, 69]. Maar voor M₁ en M₂ met enkele N-instellingpositie in Fig. 2b en c, strekt een duidelijke verontreinigingsband zich uit over het Ferminiveau, wat leidt tot een nul energiekloof. Interessant genoeg is de elektronische bandstructuur van M₂ spin-gesplitst. De toevoeging van enkele N-doping vernauwt de energiekloof aan de Brillouin-zonegrenzen. Als gevolg gedragen de bandstructuren voor M₁ en M₂ zich als metaal. Wanneer de eenheidscel van het systeem gedopt is met dubbele N-doping voor M₃–M₇ in Figs. 2d–h, zijn enkele nieuwe eigenschappen van de bandstructuren ontdekt. De energiegaten van M₃, M₄ en M₇ zijn vernauwd tot 0,06, 0,04 en 0,44 eV door het gebruik van dopant in de onberispelde structuur, wat aantoont dat ze nog steeds halfgeleiders zijn na dubbele N-doping. Echter, we kunnen vinden dat de bandstructuren van M₅ en M₆ metalliciteit vertonen met nul bandkloof in Fig. 2f en g, wat van belang is voor het transportgedrag. Op dezelfde manier ontstaat de spinverdeling van de elektronische bandstructuur in de dubbel-gedopte structuur van M₆ in Fig. 2g. Let op dat het optreden van metalliciteit afhangt van de typische N-instellingposities in de centrale C₆ ring van AγGYNR. Zoals later getoond, beïnvloedt het centrale deel van de C₆ ring de geleidingseigenschappen van AγGYNRs die in ons huidige werk worden gerapporteerd.

Om de impact van de N-instellingpositie dieper te illustreren, kunnen de spin-afhankelijke elektronen op N-atomen worden geïdentificeerd uit de spindichtheidsverdeling van de AγGYNRs (zie elk inset in Fig. 2a–h). Zoals weergegeven in Fig. 2c en g, is de spin-afhankelijke spreiding van elektronen toegenomen door de introductie van enkele of dubbele N-atomen; als gevolg hiervan is de magnetisme van de AγGYNRs versterkt ten opzichte van de onberispelde in Fig. 2a. Tegelijkertijd kan de relatief rijke hopping en spreiding van elektronen ook in Fig. 2d en f worden gevonden. Voor die vier afbeeldingen van spindichtheden zijn de verdelingen van spin-afhankelijke elektronen verspreid over alle eenheidscellen, wat leidt tot het gevolg dat het bijdraagt aan het ladingstransport. Niettemin zijn de verdelingen van de elektrondichtheid deels gelokaliseerd in het centrale deel van de insetten voor Fig. 2b en e, terwijl voor Fig. 2h het gelokaliseerd is in het centrale en onderste deel van het inset. Dus speelt de dopant in de centrale hexagonale ring van supereencellen een hoofdrol in de elektronische band. Onze observatie wordt overgedragen naar het gebied van de C₆ ring in onze voorgestelde structuur.

Daarnaast zijn de acht modellen getoond als insetten in het rechterpaneel van Fig. 2a–h, waar de hexagonale ringen met N-substitutieposities omringd zijn met de blauw beschaduwde gestippelde frames in het model, respectievelijk. De PDOS van de hexagonale ringen zijn geplot in het rechterpaneel van Fig. 2a–h. De resultaten suggereren dat de PDOS van het aangewezen gebied in M₀–M₇ goed overeenkomt met de corresponderende elektronische bandstructuren; met name de π* en π sub-band nabij het Ferminiveau stammen voornamelijk van de bijdrage van de zeslidige ring. Voor het oorspronkelijke model van M₀ in Fig. 2a, is er geen piek van PDOS rond het E_F wat leidt tot een brede energiekloof, wat resulteert in een halfgeleidereigenschap. Als de typische C-atomen in de C₆ ring vervangen worden door enkele of dubbele N-atomen als M₁–M₇, neigen de dubbele pieken van PDOS zich te verplaatsen naar het E_F toe, wat bijdraagt tot de vermindering van een bandkloof. Bijvoorbeeld, er zijn twee hoge pieken van PDOS rond het Ferminiveau (zie Fig. 2b en e) voor M₁ en M₄; in grote mate dragen ze bij aan het vernauwen van de bandkloof aan de eerste Brillouin-zone. Interessanter zijn de spin-opwaarts en spin-neerwaarts energiebanden voor M₂ en M₆ (zie Fig. 2c en g) die splitten als gevolg van het feit dat de spin-opwaarts (spin-neerwaarts) PDOS naar beneden (omhoog) verplaatsen naar een lagere (hogere) energietoestand. Echter, voor M₃, M₅ en M₇ in de rechterpanelen van Fig. 2d, f en h, bestaan er ook twee gescheiden pieken van PDOS nabij het Ferminiveau, wat bijdraagt aan het optreden van π* en π sub-band. Daarom is de N-doping in het centrale C₆ ring deel van M₀–M₇ een vitaal onderwerp, en is het interessant om de elektrontransport van AγGYNRs die ontworpen zijn uit de acht oorspronkelijke supereencellen, voort te zetten te bestuderen.

Om de transporteigenschappen van AγGYNRs te illustreren, plotten we de transmissiebanen van N-doping AγGYNRs om de transmissiekansen van nanostroken in Fig. 3 weer te geven. De afbeeldingen met verschrikkelijk kleine verdelingen van transmissiebanen voor M₀ en M₇ worden weggelaten, de apparaten M₁–M₆ inclusief de moleculaire ketens met vier herhaalde eenheidscellen genaamd D in het centrale spreidingsgebied worden overwogen. Voor M₀ en M₇ zijn de transmissiebanen gebroken zonder transportkanaal, en de hopping en spreiding van elektronen verschijnen alleen in de linkerelektrode, dus worden hun verdelingen van transmissiebanen hier genegeerd. Alle zes apparaten tonen een perfect transportkanaal in Fig. 3a–f, wat betekent dat elektronen van de linkerelektrode naar de rechter kunnen stromen. In feite kunnen elektronen door het centrale spreidingsgebied gaan als gevolg van de inclusie van N-doping. Zoals weergegeven in Fig. 3a en b voor M₁ en M₂, vindt de elektronische overgang niet alleen plaats tussen de dichtstbijzijnde buur-atomen maar ook tussen de volgende dichtstbijzijnde buur-atomen. Op dezelfde manier, wanneer dubbele N-doping wordt toegepast voor M₃–M₆ in Fig. 3c–f, vindt meer rijke elektronische overgang plaats naar de volgende dichtstbijzijnde buur-atomen.

(Kleur online) De transmissiebanen van N-doping AγGYNRs als M₁–M₆ met vier periodieke moleculaire keten genaamd D in het centrale gebied. In de weergaven van a–f geven de kleuren van de verbindende pijlen tussen twee atomen de hoppingrichting van elektronen-transmissie aan volgens de getekende kleurenbalk, en de opeenvolgende verschillende kleuren corresponderen met een reeks verschillende hoeken. De drempelwaarde is genomen als 0,05.

Verder richten we ons op het centrale spreidingsgebied van moleculaire ketens, en vinden we dat de volgende dichtstbijzijnde elektronische overgang plaatsvindt rond de N-atomen voor alle getoonde modellen in Fig. 3. Dus speelt de N-doping een belangrijke actie in de elektronische overgang, wat bijdraagt tot het produceren van een sterkere stroom in Fig. 4. Interessanter is dat de meeste transmissiebanen zich in de C₆ ringen van AγGYNRs bevinden, wat aangeeft dat N-gedopte C₆ ringen een hoofd bijdrage leveren voor deze nanojuncties. In de linkerkolom van Fig. 3 voor M₁, M₃ en M₅, vertonen de transmissiebanen een symmetrische verdeling tijdens de moleculaire ketens. Maar voor M₂, M₄ en M₆ in de rechterkolom, vertonen ze zwakkere elektronische overgangstendensen in het vierde molecuul van het spreidingsgebied zoals getoond in Fig. 3b, d en f. Dus is een langere moleculaire ketting boven de vier herhaalde supereenheden niet geschikt om in deze typische juncties te presteren. Met name de banen van elektronische overgang voor M₅ in Fig. 3e verdelen meer mogelijkheden van transportkanalen dan de andere. De terugspreiding van elektronen neigt te worden versterkt aan de bovenste rand van moleculaire ketens door het bestaan van dubbele N-doping atomen voor M₅ en M₆ in Fig. 3e en f. Gevolgtrekkelijk brengt de N-dopant de vitale invloed in het ladingstransport van AγGYNR-juncties tot uiting. Bovendien zijn de asymmetrische verdelingen van transmissiebanen voor M₂ en M₆ in Fig. 3b en f mogelijk om sommige lopende fysische gedragingen te tonen. De corresponderende discussie is van belang om voortdurend te tonen. Vervolgens willen we de stroomcurven voor deze juncties tonen om meer interessante verschijnselen te vinden.

(Kleur online) De stroom-spanning (I-V) kenmerken van AγGYNRs (a) zonder N-doping of met enkele N-doping zoals getoond in b M₁ en c M₂ voor de vier verschillende moleculaire ketens als A–D. De I-V curve van AγGYNRs met de vier periodieke moleculaire keten als D voor d M_0D–M_2D of e M_3D–M_7D. f De I-V curve van AγGYNRs voor de vier verschillende moleculaire ketens als A–D voor M₆.

Om de transporteigenschappen van deze twee-meetsystemen verder te begrijpen, berekenen we de I-V curven voor AγGYNR-juncties met vier verschillende moleculaire ketens van verschillende lengtes in Fig. 4. Aangezien we ons werk richten op de geproduceerde structuren van N-instellingposities, is het effect van de lengte van moleculaire ketens op structuur-afhankelijke transporteigenschappen niet expliciet overwogen. Het onberispelde apparaat voor M₀ is onderzocht in Fig. 4a. Er is een drempelspanning van ~ 1,2 V, waaronder de geleidingskloof toeneemt met de toename van de biasspanning, hetgeen resulteert uit de verschuiving van bandstructuren (zie Fig. 2a) in de linker en rechter leads. Daarom bestaat er een verschrikkelijk zwakke stroom voor vier apparaten als M_0A–M_0D in het inset van Fig. 4a (voor duidelijkheid is het diagram van de I-V curve vergroot onder het biasbereik [0, 1,0 V]). Wanneer de toegepaste spanning groter is dan 1,2 V, kunnen we zien dat hoe langer de moleculaire ketting is, de stroom zwakker is, wat impliceert dat de moleculaire ketting de hopping van elektronen van links naar rechts elektroden kan belemmeren. De corresponderende verklaring wordt getoond in Fig. 5a, laten we ons concentreren op de transmissiepiek nabij het E_F aangezien de stroom in grote mate wordt bijgedragen door de transmissiepiek [18, 20]. Het transmissiespectrum van M_0A volgt verschillende pieken rond het Ferminiveau; daarentegen wordt de transmissiepiek lager en lager van M_0A tot M_0D met de toenemende lengte van de moleculaire link. Voor duidelijkheid verwijst het inset van Fig. 5a dat het versterkte piek voor M_0C en M_0D toont om rekening te houden met de reductie van de stroom. In feite is de onberispelde AγGYNR geen perfecte elektrode om een spin (elektronische) junctie te construeren; het kwestie van N-instellingpositie moet hier overwogen worden.

(Kleur online) De berekende transmissiespectra van AγGYNRs bij nul bias a zonder of b–d met diverse N-doping modellen in de horizontale moleculaire nanodraden, waar de corresponderende herhaalde eenheidscel wordt weergegeven in Fig. 1. a De transmissiespectra voor niet-gedopte AγGYNRs voor M₀ inclusief vier moleculaire ketens met verschillende moleculaire lengtes voor A–D; de kleur van de volle lijnen in de figuur is consistent met die in Fig. 2a. Het inset is de deels uitgeblazen weergave van de hoofdweergave waar het transmissiespectrum minder dan 0,1 is. Op dezelfde manier zijn de volle lijnen in b consistent met die lijnen met gemeenschappelijke kleuren in Fig. 2d voor M_0D–M_2D, en de volle lijnen in c/d corresponderen met die in Fig. 2e voor M_3D–M_7D, respectievelijk.

Wanneer de apparaten gedopt zijn met enkel N-atoom op positie 1 (M₁) of 2 (M₂), respectievelijk, treedt de tegenovergestelde situatie op, en merken we op dat alle stromen versterkt worden in Fig. 4b en c. De stroom verkrijgt een grote waarde onder V ≤ 1,2 V, en het gebeurt dat het afneemt met de toename van bias voor apparaat M_1A–M_1D in Fig. 4b. Let op dat duidelijke NDR-gedrag kan worden waargenomen met het dalen van de stroom optredend tussen 0,6 en 1,6 V. Een vergelijkbare I-V curve toont aan dat het NDR-effect ook wordt gevonden voor M_2B in Fig. 4c. Het maximum van de piek-tot-valverhouding (PVR) kan tot 5,6 bereiken. Echter, de andere curven manifesteren verschillende interessante kenmerken die voortkomen uit de asymmetrische transportbaan in Fig. 3b, wat mogelijk kan leiden tot een nieuw fysicaal effect dat later besproken wordt.

Verder, om de invloed van dopant te vergelijken, plotten we de I-V curven van M₀, M₁ en M₂ met een vier keer herhaalde moleculaire ketting in Fig. 4d, wat aangeeft dat de enkele N-doping van AγGYNR het ladingstransport effectief kan versterken leidend tot een sterke stroom. Daarom zijn de waarden van de rode lijn (voor M_1D) en de blauwe lijn (voor M_2D) groter dan die van de zwarte lijn (voor M_0D). Gezien vanuit Fig. 5b, strekt het transportpiek van M_1D zich uit tot het energiegebied van − 0,26 eV ≤ E ≤ 0,8 eV, wat bijdraagt aan het doorstromen van elektronen door het centrale spreidingsgebied. Er bestaat een scherpe transportpiek rond het Ferminiveau voor M_2D (de blauwe lijn) wat iets lager is dan de vorige; als gevolg verschijnt een relatief zwakkere stroomcurve. Zeker, nul transportkloof voor M_0D (zie de zwarte lijn in Fig. 5b) resulteert in een bijna nul waarde van stroom. Hoewel er veel transportpieken bestaan bij E > 1,0 eV, hebben ze een kleine bijdrage voor de transporteigenschap van apparaat gebaseerd op AγGYNRs. Dus is enkele N-doping een effectieve methode om de spreiding en hopping van elektronen op onze ontworpen nanojuncties te bevorderen.

Wanneer de onberispelde apparaten gedopt zijn met dubbele N-atomen, suggereren de computationele resultaten dat de totale stroom varieert met de vervangingposities van dopanten voor chemische modificatie. Figuur 4e toont aan dat de stromen van M_4D en M_5D groter zijn dan de drie van M_3D, M_6D en M_7D. De blauwe lijn voor M_5D vertoont een bijna lineaire toename als functie van biasspanning met een grote stroom optredend bij hoge bias, terwijl de rode voor M_4D een niet-lineaire curve is met een grotere stroom onder de lage spanning, omdat het rode transmissiepiek in Fig. 5c gelokaliseerd is rond het Ferminiveau wat gemakkelijk geleid kan worden bij een lagere bias, het blauwe transmissiepiek blijft ver van het nul-energieniveau wat een hoge spanning nodig heeft om het transportkanaal te doorbreken. Dus is de stroom van M_4D groter dan die van M_5D bij de lage bias van [0, 1,2 V], maar het begint sterker te worden bij hogere biassen.

Zoals eerder uitgelegd, houden alle transmissiespectra van drie juncties veel transmissiepieken nabij het Ferminiveau (de transmissiecoëfficiënten zijn nul bij E_F) in Fig. 5d, waardoor de lage stromen produceren. Met name zijn er veel hogere pieken van de gele lijn bij positieve energie, wat ondersteunt dat het duidelijke NDR-effect verschijnt. Om het NDR-fenomeen voor M₆ dieper te observeren, plotten we alle I-V kenmerken van M_6A tot M_6D, en vinden we dat het NDR-effect begint te versterken met de toename van lengte voor moleculaire ketting. De PVR kan stijgen van 1,7 voor M_6A tot 5,4 voor M_6B, dan kan een PVR maximum van 24,5 bereikt worden voor M_6D vanaf de waarde van 12,8 voor M_6C. Let op dat de lengte van de moleculaire ketting de optreding en intensiteit van NDR-gedrag efficiënt kan moduleren.

Tegelijkertijd worden de berekende spin-opgeloste stromen als functie van biasspanning ook getoond voor M_2D en M_6D in Fig. 6, om de interessante kenmerken van spinapparaten duidelijk te observeren. Binnen de totale biasspanning tonen beide modelapparaten zichtbare asymmetrische pulsachtige I-V gedrag in Fig. 6 a en b, wat een perfect NDR-fenomeen oplevert. De spin-opwaarts stroom voor M_2D gedraagt het NDR-effect met een PVR van 18,9 in Fig. 6a; niettemin bereikt de waarde van PVR tot 36,8 binnen het spin-opwaarts geval van M_6D tussen 0,8 en 1,6 V in Fig. 6b en is het ook 24 voor het spin-neerwaarts geval van 1,2 tot 1,6 V. In het bijzonder, voor het model 2D in Fig. 6a, zijn de positieve stromen sterker dan de negatieve in beide spijnrichtingen, wat impliceert dat een rectificatie-effect in dit apparaat kan worden gevonden. De rectificatieverhouding (RR) kan gedefinieerd worden [70] als de formule: RR(%) = I(V)/│I( − V)│ × 100% voor de spin-opwaarts (spin-neerwaarts) stroom. Voor het verschil in rectificatieverhouding tussen spin-opwaarts en spin-neerwaarts gevallen, is de RR van spin-opwaarts en spin-neerwaarts stroom 480% en 440% bij ± 0,6 V, respectievelijk. Dus, vanuit het oogpunt van praktische toepassing, kan de N-doping niet alleen de bandstructuur beïnvloeden [71, 72], maar ook de apparaatgedragingen modelleren. De intrinsieke fysicochemische mechanismen kunnen gebruikt worden om deze effecten te verklaren.

(Kleur online) De spin-afhankelijke I-V curven van AγGYNRs met a enkele N-doping en b dubbele N-doping, wier modellen worden getoond als M_2D en M_6D in Fig. 1. Alle modellen overwegen alleen de structuren rekening houdend met de moleculaire ketting met vier herhaalde moleculaire eenheden als D.

Om de corresponderende mechanismen van het bovengenoemde rectificatieverschijnsel te analyseren, zijn de spin-afhankelijke bandstructuren bij de bias van ± 0,6 V en de transmissiespectra van moleculaire juncties voor M_2D getoond in Fig. 7. Door enkele N-doping in de onberispelde moleculaire junctie te introduceren, kan men vinden dat de spin-opwaarts elektronische band van het apparaat bij de linkerelektrode verschuift langs het negatieve energieniveau, terwijl voor de rechterelektrode de band neigt te bewegen langs de positieve richting in Fig. 7a. Waarop kunnen we vinden dat het sub-band van de linkerelektrode koppelt met dat van de rechterelektrode bij E ≈ 0,25 eV en de transmissiepiek verplaatst in het biasvenster, wat resulteert in dat het transportkanaal open gaat bij 0,6 V bijdragend aan het ladingstransport. Wanneer een spanning van − 0,6 V wordt toegepast op het nanodevice in Fig. 7b, bewegen de energiebanden van de linker- en rechterelektrode in tegengestelde richtingen. Hoewel de sub-band van de linker- en rechterelektrode nog steeds met elkaar overeenkomen, is er een bijna nul transmissiekans binnen het biasvenster, wat de reden is van lage stroom bij V_b = − 0,6 V. Daarbij kan het rectifierende gedrag hier verkregen worden. In het algemeen treedt het fenomeen van rectifier vaak op in asymmetrische moleculaire structuren [20], dus is de asymmetrie van moleculaire apparaten de hoofdoorzaak voor de generatie van dit gedrag.

(Kleur online) De spin-opwaarts bandstructuren van de linker/rechter leads en de spin-opwaarts transmissiespectra van AγGYNRs met enkele N-doping op de aangrenzende positie voor M_2D onder de biassen van a 0,6 en b − 0,6 V. Het gebied tussen de dubbele horizontale groene gestippelde lijnen is het corresponderende biasvenster.

Er zijn veel NDR-effecten die in onze voorgestelde modellen zijn waargenomen; om de fundering van NDR beter te interpreteren, tekenen we de relative diagrammen in Fig. 8. Bijvoorbeeld, zoals verwacht voorheen, de NDR producerend van 0,8 tot 1,6 V in een spin-opwaarts richting met een hoge PVR van 36,8 voor M_6D wordt gekozen als een voorbeeld hier. Onder de bias van 0,8 V kunnen de linker sub-band sterkt matchen met de rechter, het laagst onbezette moleculaire orbitaal (LUMO) gedraagt een cruciale actie in Fig. 8a, wat resulteert in dat een spreidingskanaal kan worden toegestaan voor spin-opwaarts elektronen hopping. Er is een groene gestippelde lijn met een pijl in Fig. 8a, die beschrijft dat het transmissiekanaal open is voor elektronen-transport bij 0,8 V. Het hoogst bezette moleculaire orbitaal (HOMO) dat de secundaire rol speelt, draagt ook bij aan het elektronen-transport bij 0,8 V. Wanneer de bias verhoogd wordt tot 1,6 V, zoals getoond in Fig. 8b, is de energie voor het biasvenster ook uitgebreid tot ± 0,8 eV. Er treedt een lagere transmissiepiek op in het corresponderende biasvenster, maar zwakke koppeling tussen de sub-band van beide leads kan in dat energiegebied worden gevonden, wat leidt tot een verschrikkelijk zwakke transmissiepiek in het spreidingsgebied van de linker naar de rechter elektrode. Daarom ontstaat de NDR in de spin-opwaarts stroom inclusief een hoge PVR voor M_6D met de dubbele N-instellingposities. Het zou een uitstekende kandidaat kunnen zijn voor een spin-schakelaar van het nano-elektronische apparaat gebaseerd op AγGYNRs in de toekomst. Daarom zijn de generatie en transportkenmerken van spin-gepolariseerde stromen nog steeds vitale kwesties voor spintronische apparaten [73].

(Kleur online) De spin-opwaarts bandstructuren van de linker/rechter leads en de spin-opwaarts transmissiespectra van AγGYNRs met dubbele N-doping voor M_6D onder de biassen van a 0,8 V en b 1,6 V. Het gebied tussen de dubbele horizontale groene gestippelde lijnen is het corresponderende biasvenster. Voor duidelijkheid is het maximum van transmissiespectra in b ingesteld op 0,1.

Conclusies

Samengevat, de uitgebreide ab initio berekeningen gebaseerd op de dichtheidsfunctionaaltheorie gecombineerd met non-evenwichts Green's functie formalisme op de 2D armchaar 3-γ-graphyne vellen en nanostroken met de incorporatie van stikstofatomen bezitten veel elektronische en transportkenmerken die duidelijk verschillen van die van bekende graphene en typische graphynes. Door de impact van enkele of dubbele N-doping defecten van AγGYNRs te verkennen, bevestigen onze resultaten dat bandstructuren van supereencellen sterk afhankelijk zijn van de posities van de dopant in de centrale C₆ ring van nanostroken. We kunnen enkele halfgeleidende nanostroken met smalle bandkloof of geleiders van AγGYNRs verkrijgen. Wat betreft de transporteigenschappen, induceren de verschillende lengtes van moleculaire ketens interessante negatieve differentiële weerstandsgedragingen die verwacht worden voor nano-elektronische juncties. In het bijzonder houden de hexagonale ringen in het midden van nanostroken een vitale rol in de transporteigenschappen. Hoe langer de moleculaire ketting is, hoe duidelijker het NDR-effect kan worden waargenomen in de juncties inclusief N-instellingposities. Voor de cruciale N-doping voor juncties M_2D en M_6D, zijn de spin-gepolariseerde stromen met de maxima van rectificatieverhouding en piek-tot-valverhouding van 480% en 36,8 in spin-opwaarts richting gevonden, respectievelijk. We voeren de duidelijke fysieke mechanismen voor die suggereren dat de moleculaire juncties van AγGYNRs potentiële toepassingen bezitten voor toekomstige nano-elektronische apparaten.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Het ontwerp van nanojuncties en computationele berekeningen zijn uitgevoerd door ATK.

Afkortingen

2D:

Tweedimensionaal

ATK:

Atomistix ToolKit

AγGYNR:

Armchaarrandige γ-graphyne nanostrook

C₆:

Zeslidige koolstof

DN:

Spin-neerwaarts

E _F:

Fermi-energie

HOMO:

Hoogst bezette moleculaire orbitaal

LUMO:

Laagst onbezette moleculaire orbitaal

NDR:

Negatieve differentiële weerstand

PDOS:

Geprojecteerde dichtheid van toestanden

PVR:

Piek-tot-valverhouding

RR:

Rectificatieverhouding

UP:

Spin-opwaarts