發(fā)布時(shí)間：2021-10-10 02:07

　　隨著半導(dǎo)體與工程制造技術(shù)的進(jìn)步,電子設(shè)備朝著更小,更高集成化方向發(fā)展。在芯片上放置更多設(shè)備的方法,即晶體管縮放,能有效地減少電子器件的制造成本。根據(jù)某些方法減小晶體管尺寸,使用較小的晶體管,實(shí)現(xiàn)成本低,集成率高,工作效率高的芯片是目前電子器件發(fā)展的大勢(shì)所趨。就目前而言,人們已經(jīng)獲得了納米級(jí)材料的制造和工程設(shè)計(jì)能力。當(dāng)電子器件的尺寸小到一定程度,包括介觀或者納米尺寸的時(shí)候,經(jīng)典的電磁理論不再適用于描述器件的輸運(yùn)特性。此時(shí)電子器件的性質(zhì),特別是輸運(yùn)現(xiàn)象,需要應(yīng)用量子力學(xué)進(jìn)行理解。除了電子設(shè)備技術(shù)的發(fā)展,新型材料與材料在不同維度下不同性質(zhì)的研究也在同步進(jìn)行中。其中,單原子二維材料,包括石墨烯和黒磷烯等,是這方面的研究熱點(diǎn)。這些新興二維材料具有有趣的物理性質(zhì),使得它們?cè)谛滦碗娮悠骷�、光電器件、力學(xué)納米器件等方面有廣闊的應(yīng)用前景。本論文著重研究二維材料,即基于石墨烯與黑磷烯所形成的導(dǎo)電結(jié)的量子輸運(yùn)性質(zhì)。論文主要分成七章,每一章內(nèi)容大致如下:第一章首先介紹二維材料量子輸運(yùn)的研究背景;其次,我們引入量子輸運(yùn)的適用范圍,即材料中電子的相位自由程必須大于材料尺寸;最后重點(diǎn)介紹了石墨烯與黑磷烯的制造方法以... 

【文章來源】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：114 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖１．２單層石墨烯片樣本

?第一章緒論???圖１．４石墨稀的能譜圖。由圖可知，石墨烯能譜中存在２個(gè)不等價(jià)狄拉克錐。??通過分析該能譜，我們發(fā)現(xiàn)石墨烯倒空間中存在兩個(gè)不等價(jià)的導(dǎo)帶與價(jià)帶簡(jiǎn)??并的點(diǎn)：Ｋ和Ｋ’，這兩個(gè)點(diǎn)在布里淵區(qū)的具體位置為：??２ｎ?２；ｒ?、??、３ａ’３Ｖ＾ａＪ．?＾３ａ?３ｙｊ３ａ，??這兩個(gè)Ｈ自重間并點(diǎn)也被稱為狄拉克點(diǎn)（Ｄｉｒａｃ?ｐｏｉｎｔ）。在７Ｘ邊形格子中，利用時(shí)??間反演對(duì)稱性可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)Ｋ點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間反演變換可以得到Ｋ’。所以Ｋ與Ｋ’點(diǎn)??是用時(shí)間反演對(duì)稱性（布里淵區(qū)的中心對(duì)稱）聯(lián)系起來的。??仔細(xì)觀察石墨烯的電子能譜，我們發(fā)現(xiàn)在狄拉克點(diǎn)附近的能譜呈線性的錐狀??結(jié)構(gòu)。ｋ空間的哈密頓量在這兩個(gè)狄拉克點(diǎn)附近與ｋ應(yīng)該呈線性關(guān)系，可以進(jìn)一??步將該區(qū)域的石墨稀哈密頓量表示成：??ＨＫ＝＾Ｆｙｋ?＋ｉｋ?〇?＼?＝?ｈｖＦ（Ｔ－ｋ?（１．４）??顯然，此時(shí)的有效的哈密頓量由兩個(gè)無質(zhì)量的狄拉克式哈密頓量構(gòu)成，分別在Ｋ??與為Ｋ’周圍。當(dāng)電子波函數(shù)０（ｒ）靠近Ｋ與Ｋ’點(diǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)方程變成：??－／Ｖ?＜５?？?Ｖ?ｉ／／（ｙ）?＝?Ｅｉ／／｛ｒ）??Ｆ?＾?（１．５）??－／ｖ?？?Ｖ?ｙ／｛ｒ）?＝?Ｅｕ／（ｒ）??ｒ??其中，泡利矩陣?〇?＝?（?０?ｓ，?ａ?ｙ），０?■＊?＝?（?ａ?ｘ，?０／）和?Ｉｊ）?（ａｉ＋，ｂｉＯ，ｉ?＝?１，?２。??可以計(jì)算得到，Ｋ點(diǎn)附近動(dòng)量ｋ的波動(dòng)函數(shù)形式為：??Ｒ．Ｋ㈨＝萬［士，Ｊ?（１．６）??對(duì)應(yīng)的哈密頓量為ＨＫ（ｋ）?＝?ｖＦ〇?＊ｋ，其中的符號(hào)對(duì)應(yīng)于本征能量Ｅ?＝±ｖＦｋ，分??別對(duì)應(yīng)于Ｋ點(diǎn)附近的導(dǎo)帶與價(jià)帶。Ｋ附近動(dòng)量的波動(dòng)函數(shù)具有以下形式：??６??

ｋ。??１．３．?３．２雙層石墨烯??在關(guān)于石墨烯電子結(jié)構(gòu)的介紹中我們知道，石墨烯的電子能譜中沒有能隙。??而在當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，我們需要材料的電子結(jié)構(gòu)存在有限帶隙，以??便控制電流。從這個(gè)角度講，我們很難建立以石墨烯為基的電子器件。幸運(yùn)的是，??扶椅型石墨烯納米帶根據(jù)其寬度的不同［３４］?［３５］會(huì)具有有限的帶隙，雙層石墨烯??在層間電場(chǎng)產(chǎn)生層間勢(shì)差的情況下也能產(chǎn)生帶隙［３６］。這里，我們簡(jiǎn)單介紹一下??雙層石墨烯在無外場(chǎng)下及其在層間垂直電場(chǎng)下的電子性質(zhì)。??雜??圖１．?５?ＡＢ型雙層石墨烯示意圖，其中白色原子點(diǎn)表示下層原子，藍(lán)色表示上層原子。ｔ＝２．?７??ｅＶ與Ｕ＝０．?３?ｅＶ分別表示層內(nèi)與層間跳躍能。??雙層石墨烯是指兩層石墨烯之間以范德瓦爾斯相互作用結(jié)合在一起的結(jié)構(gòu)，??通常具有兩種不同的構(gòu)型，即ＡＡ型與ＡＢ型。這里，我們著重介紹ＡＢ型雙層石??墨烯的性質(zhì)，該晶格的空間圖如圖１．?５所示。??通過機(jī)械剝落石墨的方法可以獲得雙層石墨烯，其電子結(jié)構(gòu)同樣可以在緊束??縛模型的框架下理解［３７］［３８］。根據(jù)圖１．５中的表示，其緊束縛哈密頓量寫成：??Ｈｂ?＝?－／〇?Ｓ?（ａｌＡｒ，Ｊ?＋?（ａｌ，ａ２．，?＋?Ｈ－ｃ－）??＜，ｖ＞?＇?（１．８）??－ｙ＾Ｌ?｛ａｌｉＫ＋ａｉｈ，＋Ｈ－ｃ－）?－?ｒ３Ｚ?［ｂｌＫｊ＋Ｈ－ｃ－）??ｊ?ｊ??將該哈密頓量的本征方程寫出來，可以得到哈密頓量等價(jià)于一個(gè)４＊４的哈密頓矩??陣，即為：??’?０?ｔＳ（ｋ）?／丄?〇、??－?ｔＳ＼ｋ）?０?０?０?，、??Ｈｂ（ｋ）＝?？—?（１．９）??，丄?０?０?ｔＳ?（ｋ）??、０?０


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