介观纳米体系的电子输运性质
电子输运 纳米分子器件 分子轨道 伏安特性 电子传输谱
电子输运论文：纳米分子器件电输运性质的研究【中文摘要】近年来,分子电子学是人们十分感兴趣的研究领域,是纳米电子学的重要研究方向。
如何认识并利用分子的电学特性来制备分子器件成为分子电子学的重要研究领域之一。
实际测量体系的I - V曲线并不是在单一分子的环境下得到的,而是与两边电极连接成电路。
而电极与分子之间不可避免的存在相互作用。
电极与分子究竟以什么方式连接目前还不是很清楚。
为此,深入探讨电极与分子连接的方式以及其对于分子器件输运特性的影响,对于理解分子器件的物理性质具有重要的科学意义。
论文比较系统的研究了纳米尺度下的多粒子体系构成的纳米分子的理论模型。
论文使用弹性格林函数方法,对纳米分子器件的电子输运性质进行了模拟计算。
考虑电极与分子之间不同的连接方式对于分子器件输运特性的影响使用不同的连接方式重新计算。
并对两种计算结果进行比较分析。
论文首先简要的介绍了纳米分子器件的发展历程、研究成果,及其目前纳米分子器件在研究上存在的主要问题;其次,在理论计算方面,将纳米分子器件看作纳米分子桥,建立起纳米分子桥模型的电流、电导和传输函数表达式,结合多粒子体系的弹性散射理论,利用弹性格林函数方法,对纳米分子桥模型的电流、电导和传输函数表达式进行了理论推导;再次,...【英文摘要】Within the last decade, there is no denying the fact that an increasing interest in molecular electronics has been developed and the study of molecular electronics is oneof the branches of the Nanoelectronics. With molecules as a drive of information processing, lots of electric characters in the molecular space can be researched in the molecular electronics. Nowadays, the basic science on which a molecular electronics technology would be built is now unfolding in the world, and the emerging science and ap...【关键词】电子输运纳米分子器件分子轨道伏安特性电子传输谱【英文关键词】Electronic transport Nano molecular devices molecular orbit voltage-current specific property Electronic transport spectrum【索购全文】联系Q1：138113721 Q2：139938848【目录】纳米分子器件电输运性质的研究摘要5-6Abstract6-7第1章绪论10-20 1.1 引言10 1.2 纳米分子器件的产生背景10-12 1.3 纳米分子器件的研究进展12-17 1.4 目前存在的问题17-18 1.5 论文研究的目的和主要工作18-20第2章分子轨道理论20-28 2.1 引言20 2.2 简单分子轨道理论20-23 2.3 基函数的选择23-27 2.3.1 Slater 函数24-25 2.3.2 Gauss 函数(GTO)25-26 2.3.3 Contracted Gauss Functions (CGTO)26-27 2.4 本章小结27-28第3章分子器件伏安-特性的理论方法28-38 3.1 引言28-29 3.2 分子器件的电流与电导29-33 3.3 分子器件投射系数33-36 3.4 分子器件耦合常数36-37 3.5 本章小结37-38第4章分子器件模型的构建38-44 4.1 引言38-39 4.2 分子器件模型39-40 4.3 理论计算模型40-43 4.4 本章小结43-44第5章 4,4’-二硫基二苯醚的电输运性质44-57 5.1 引言44 5.2 计算过程44-53 5.2.1 分子结构44-45 5.2.2 基组的选择45 5.2.3 扩展分子的LUMO45-48 5.2.4 相互作用能常数48-50 5.2.5 扩展分子的费米能量50-51 5.2.6 分子的伏-安特性51-53 5.3 电极模型对电子输运性质的影响计算53-55 5.4 本章小结55-57结论57-59参考文献59-64攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果64-65致谢65-66作者简介66。
纳米线的电子输运及其在光电子学中的应用
纳米线的电子输运及其在光电子学中的应用随着科技的不断进步，纳米技术已然成为人们关注的热点。
纳米线作为纳米材料的一种，具有很强的应用价值。
纳米线的电子输运是其最重要的性质之一，研究其电子输运行为，可以为其在光电子学中应用提供重要的基础。
一、纳米线的电子输运纳米线具有远小于传统导线直径的纳米级粗细，其导电性与尺寸、表面状态等因素密切相关。
在纳米线中，由于几何约束，电子的运动状态发生变化，出现了很多新的现象，例如量子限制效应、相互作用效应等，这些都对电子输运性质产生很大的影响。
纳米线的电子输运主要是通过沿着导体方向的自由电子运动来完成的。
纳米线的电流密度和电场强度之间的关系遵循欧姆定律，但在高电场下，纳米线的电子输运性质发生变化，电流不再呈线性增加，而是出现了瞬态电阻现象。
此外，纳米线的电子输运性质还与内禀性质、外加场、物理尺寸、表面状态等因素密切相关。
二、纳米线在光电子学中的应用随着人们对于纳米技术的不断深入研究，纳米线作为一种重要的纳米材料，拥有广泛的应用前景。
在光电子学方面，纳米线有着独特的优势，可用于制备柔性器件、光电传感器、太阳能电池、发光器件等。
1. 柔性器件纳米线可以按照不同的方法进行制备，例如溶剂热法、物理气相沉积法等，可以制备出高质量的纳米线片，为制备柔性器件提供了很大的帮助。
2. 光电传感器光电传感器是纳米线在光电子学中的另一个应用方向，其原理是通过纳米线对光电转换的特性进行探测，实现对于不同物质的检测。
纳米线沿着其长度方向的电子输运性质非常稳定，并且可以对其表面采用进行修饰，修饰后的纳米线可以选择性的吸附目标物质从而实现光电传感器。
3. 太阳能电池太阳能电池的制备基本上是以硅晶体为基础，但是具有市场应用的硅晶体太阳能电池产量普遍低、效率高成本大，纳米线太阳能电池成为应对这一问题的有效途径。
纳米线具备高效率、低成本、柔性可曲，可以实现太阳能电池的较高转换效率。
4. 发光器件纳米线作为一种新型的发光材料，其发光特性非常明显。
纳米材料电子性质
纳米材料电子性质纳米材料的电子性质是指其电子结构和电子输运性质等特性。
由于纳米材料的尺寸、形状、结构和表面修饰等因素的影响，其电子性质可能会呈现出与宏观材料不同的特点。
以下是一些常见的纳米材料电子性质：1.电子结构调制：纳米尺寸效应会导致纳米材料的电子结构发生调制，包括能带宽度增加、带隙变化、能级结构调制等现象。
这些调制效应可以通过量子点、纳米线、纳米片等结构实现，影响了纳米材料的光学、电学和磁学性质。
2.载流子输运性质：纳米材料的电子输运性质可能会受到量子约束效应的影响，表现出量子输运效应、量子隧道效应等。
纳米结构可以调控电子的传输路径、散射机制和载流子密度等，影响了纳米材料的电导率、电子迁移率等。
3.量子限制效应：在纳米结构中，由于尺寸受到量子约束，电子的能级分布和密度可能会发生变化，出现量子限制效应。
这种效应导致了纳米材料的能级离散化、电子态的量子化等特性。
4.电子隧道效应：纳米结构中的量子隧道效应使得电子可以穿越经典禁带，产生电流，从而影响了纳米材料的电子输运性质。
这种效应在纳米器件中具有重要应用，如量子隧道二极管、量子点太阳能电池等。
5.局域化和共振效应：纳米结构中的局域化效应和表面等离子共振效应对电子性质具有重要影响。
例如金属纳米颗粒的等离子体共振效应可以增强纳米材料的吸收、散射和光学响应等。
6.量子点发光性质：量子点等纳米结构具有发光性质，其发光颜色和强度可以通过调控其尺寸、组成和表面修饰等因素来调节。
这种特性在显示技术、生物成像等领域具有广泛应用。
纳米材料的电子性质对于其在电子器件、光电子器件、传感器、催化剂等领域的应用具有重要意义。
因此，对纳米材料电子性质的深入理解和精确控制是纳米科技研究的重要内容之一。
纳米电子学-纳米电子器件输运理论
第7章纳米电子器件输运理论7.1 引言7.2 隧穿理论7.2.1 隧穿的波函数描述方法7.2.2 隧穿时间7.2.3 隧穿电流7.2.4 量子化电荷隧穿7.1 引言电子器件的性能决定于其中电子的输运特性，而电子输运特性与材料的能带结构密切相关。
在一个特定的能带结构中，载流子运动可能包括多种复杂的物理过程。
为了计算器件的IV特性，需要建立器件的输运模型。
模型应当包括两个方面信息。
(1)特定器件材料的能带结构与参数能带结构决定于组成器件的特定材料以及特定的材料界面和结构。
例如，在异质界面处，能带会产生偏移和变化(如弯曲)。
载流子的输运模型需要尽量精确的载流子有效质量等由能带结构所决定的材料参数。
(2)适当形式的输运理论该理论必须能够模拟器件的主要输运过程。
在模型中总是要进行简化、近似和数值离散化，但是，这些处理不能违反基本的物理规律和量子力学原理。
可是，在实际上，有些简化和近似常常危及某一原理。
按照第一性原理的观点，纳米器件一般来说是一个开放量子系统，在其中电子起码可以在某一维方向运动。
而且是与时间相关的。
同时，输运具有时间不可逆性和耗散性。
输运过程中还存在多体作用。
器件与周围的环境既存在粒子交换也存在能量交换。
所以电子器件作为一个物理系统与简单的孤立量子系统有很大的区别，后者可以具有守恒的哈密顿量，对薛定谔方程加上适当的边界条件，相对较容易求解。
而适用于这种开放器件系统的易子计算的通用多体形式的量子理论尚没有建立起来。
对于特定器件的某些性质的计算可以不用通用的多体理论。
实际应用中广泛采用各种近似和简化的模型口针对主要输运过程的模型，可以使计算简化。
最近，共振隧穿器件（Resonant Tunneing Device，RTD）模拟工作已取得明显进展，模拟结果在估计RTD的量子效应方面和应用于器件设计方面均获得丰硕的成果〕。
量子器件的全面模拟问题需要用高级的量子输运理论，可能包括相当复杂的多带有效质量理论的形式，它应该是建立在密度矩阵基础上的量子统计理论。
纳米器件中的电子输运与热输运研究
纳米器件中的电子输运与热输运研究随着纳米科技的快速发展，纳米器件的研究与应用日益广泛。
在纳米器件中，电子输运与热输运是两个重要的研究领域。
本文将从理论和实验两个方面探讨纳米器件中的电子输运与热输运，并介绍相关研究的进展和应用前景。
一、电子输运的研究在纳米器件中，电子输运是指电子在导体材料中的传输过程。
电子输运性质的研究对于理解和设计纳米器件的功能至关重要。
目前，研究者通过计算模拟和实验手段来研究电子输运性质。
1. 纳米器件的电子输运模拟通过计算机模拟方法，可以对纳米器件中的电子输运过程进行详细的理论研究。
基于量子力学和统计物理的理论模型，可以模拟电子在各种不同结构的纳米器件中的行为。
通过这些模拟可以了解电子在纳米器件中的输运特性，如电流密度、电子速度分布等。
2. 纳米器件的电子输运实验除了理论模拟，实验手段也是研究纳米器件中电子输运性质的重要方法。
通过搭建实验装置，可以测量纳米器件中的电子输运性质，并验证理论预测。
例如，通过操控纳米材料的结构和掺杂，可以探索电子输运性质的变化规律。
同时，通过实验还可以了解不同材料和结构对电子输运性质的影响，为纳米器件的设计提供理论依据。
二、热输运的研究纳米器件中的热输运是指热量在纳米尺度下的传导过程。
热输运的研究对于纳米器件的散热和热管理具有重要意义。
目前，研究者主要通过理论计算和实验方法来研究纳米器件中的热输运性质。
1. 纳米器件的热输运模拟通过建立热输运的数学模型，可以模拟纳米器件中的热输运过程。
热输运的模拟包括准经典方法和量子力学方法。
通过这些模拟可以研究纳米器件中的热导率、热阻抗等热输运性质。
2. 纳米器件的热输运实验通过搭建实验装置，可以测量纳米器件中的热输运性质，如热导率等。
实验方法包括红外测温、示波器测量等。
通过实验可以验证模拟结果，并了解不同结构和材料对热输运性质的影响。
三、纳米器件中电子输运与热输运的应用纳米器件中的电子输运与热输运研究在科学研究和应用方面都有很大的潜力。
介观体系中输运特性
a1, a2, a3 为晶格原胞的边长。
倒点阵的基矢是由晶体点阵的基矢按下列关系定义的
2
b1 (a2 a3)
2
b2 (a3 a1)
2
b3 (a1 a2 )
在倒点阵中任一格点的位置矢
Kn n1 b1 n2 b2 n3 b3
◆
布里渊区：由
b1,
b2 , b3
组成的平行六面体是倒点阵的元胞，
r
vn (k)
1 m
nk (r) pˆ nk (r)
1
k
n
(k
)
在k空间中，外场引起的漂移速度对应于波矢k的改变
k
1 h
e
Er, t
vnk
(k )
Br, t
不同于自由电子，对于Bloch电子，波矢k并不正比例于电子的动量， 但对外电磁场的响应好象有动量ħk，一般称为晶体动量(Crystal momentum)。
介观体系中的输运特性
邓振炎
理学院 物理系 (G527, Tel: 4334)
一、输运现象
外场: 电场、磁场、温度场等
E
载流子运动 -e
载流子在运动过程中不断的受到晶格（声子）、杂质、缺 陷、边界的散射
当载流子加速和减速达到平衡时形成稳定的电荷/热量的输运， 有非零的稳定的电流/热流，这就是固体物理的输运现象。
(1) 弱局域化电导修正
0
ne2 0 m*k F l
ln
0
修正项
0为电子处于动量本征态k的平均寿命 为相位相干时间。
◆ 一般△与0相差104~105量级。 ◆ 在电子平均自由程较小的样品中 容易观察到这种现象
◆ ~T-p , 因此， △~-plnT,
纳米器件中的电子输运性质研究
纳米器件中的电子输运性质研究近年来，随着纳米技术的快速发展，纳米器件在电子学领域的应用越来越广泛。
纳米器件以其尺寸小、性能高的特点受到了广泛关注，而其中的电子输运性质更是成为了研究的热点之一。
本文将探讨纳米器件中的电子输运性质及其研究进展。
首先，我们来介绍一下纳米器件中的电子输运性质的基本概念和特征。
电子输运性质是指在纳米器件中电子的运动规律和属性。
在纳米尺度下，电子的输运受到了多种因素的影响，例如纳米晶体的晶格缺陷、电子之间的相互作用以及外界电场的影响等。
这些因素导致了电子输运的特殊性质和行为。
在纳米器件中，电子输运性质的研究主要集中在两个方面，即输运机制和输运性质调控。
输运机制研究的是电子在纳米尺度下的输运路径和方式，而输运性质调控研究的是如何通过各种手段调控和控制电子的输运性质。
这两个方面的研究相互依托，共同推动了纳米器件的发展。
关于输运机制的研究，目前主要有两个主流的理论模型，即经典输运理论和量子输运理论。
经典输运理论基于经典物理学的基本原理，描述了在纳米尺度下的经典粒子（电子）的输运行为。
而量子输运理论则将经典粒子的输运行为推广到了量子情境下，考虑了电子的波动性和波粒二象性。
这两种理论模型在不同的情景下都有其适用性和局限性，因此在具体研究纳米器件中的输运机制时需要结合实际情况进行选择。
另一方面，输运性质的调控是纳米器件中的重要问题。
通过调控电子的输运性质，可以实现对纳米器件的性能和功能的优化和控制。
目前，已经有很多方法和手段被提出来实现纳米器件中电子的输运性质调控。
例如，通过材料的合金化和掺杂可以改变电子的能带结构和散射机制，从而调控电子的输运性质。
此外，利用外界电场、磁场和光照等手段也可以调控电子的输运性质。
这些方法和手段为纳米器件的性能优化提供了新的思路和途径。
在纳米器件中的电子输运性质研究中，还有一些重要的研究课题值得我们关注。
首先是纳米器件中的量子输运和能量输运的耦合效应研究。
纳米结构中的介观现象——弹道输运
特征长度 费米波长的作用
在低温条件下，电流主要是能量接近费米面的 电子所负载，因此相关的电子波长就是费米波 长。 其他能量低于费米能的电子具有较长的波长， 它们对电导没有贡献。 当系统的尺度接近费米波长时，粒子的量子涨 落非常强。而当尺度远远小于费米波长时，粒 子的能量涨落相对较弱。 因此，它的量子相干性容易受破坏。
特征长度
固态器件的尺度从微米缩小到纳米尺度会使系统 从量变引起物理性质的质变 尺度的变化导致研究内容和学科的变化
-下图1：自然与人造物体空间尺度（不同学科） -下图2:人手皮肤显微放大图
特征长度
特征长度
特征长度
特征长度 纳米电子学的特征尺度
与纳米电子学相关的时间和空间特征尺度可 以分为： ——与电子波长相关的特征长度
特征长度 相位弛豫时间与相位弛豫长度的关系
高迁移率半导体的情况，相位弛豫时间与动量 弛豫时间同一数量级或者小于后者 在弛豫时间内，电子不受散射，输运是弹道的 有 这一结果仅对高迁移半导体是正确的
特征长度
但是对于低迁移率半导体或者多晶金属薄膜动量弛 豫时间远比相位弛豫时间短，即，τφ>>τm 超过相位相干时间的电 子运动是非弹道的 经过时间间隔τm速度完 全是随机化的，所以电 子在时间τφ内的轨迹 可以视为若干个 （＝τm／τφ）长度为 ～Vfτm短轨迹之和。
弹道输运
电导量子化
电导-栅压的曲线呈现台阶状，每一个台阶的高度是 为什么？ 根据Landauer-Buttiker公式，系统的电导可以表示为
这里的α和β表示系统两端的通道。
弹道输运
对于量子点接触，电子的传播是弹道式的，不受杂质的 散射，因此各通道时彼此独立的，电子在每个通道的透 射几率为 在横向，电子的传播受到限制，因此它的能级是分立的 。
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介观纳米体系的电子输运性质
介观纳米体系的研究是目前凝聚态物理十分活跃的前沿研究领域之一。
它不断揭示出一系列重要的物理内禀,同时也展现出广泛的应用前景。
本论文运用格林函数方法研究了介观纳米体系的电子输运现象。
其目的在于揭示这些结构中的新效应及其物理机制,并为设计和实现具有优良性能的量子器件提供物理模型和理论依据。
本论文共分八章。
第一章介绍了介观纳米体系的结构和性质特征,特别是电子输运性质。
在第二章中,简单介绍了格林函数方法,并利用该方法计算了T型量子线在
势调制下的电子输运性质。
讨论了单个和耦合T型量子线垂直手臂中的势垒对输运的影响。
对于单个T型量子线,在势调制下水平和拐角方向的电导上出现了一个谷峰对;势垒宽度的变化使得谷峰对变得更明显。
这个谷峰对是由T型量子线中的束缚态引起的。
对于两个耦合T型量子线,势调制与水平方向电导上的两个谷是紧密关联的。
我们可以通过势调制来实现对电导谱的裁剪。
在第三章中,用模匹配方法计算了十字型、T型和L型量子线及量子点中束
缚态在势调制下的能量和波函数,发现了束缚态能量与势调制之间的普适关系。
用电子几率密度图显示了不同量子结构中束缚态之间的演化。
同时我们的计算表明局域在量子点中的电子态在势调制下经历了一个从束
缚态到准束缚态再到束缚态的演化过程。
在第四章中,研究了一个有限量子反点阵列中的束缚态及其引起的传输共振现象。
我们计算了几种不同几何结构的电导,讨论了量子反点之间的距离对量子束缚态及电子输运的影响,也讨论了反点阵列的周期对高能束缚态的影响。
发现了一些有趣的高能准束缚态,电子在这些态中主要是局域在结的交叉区域而不是在结中。
在第五章中,我们计算了两种典型的开放周期型结构的电导。
对于包含n个限制区域的多波导管结构,在低能区域出现了(n-1)重的共振劈裂峰而在高能区域则是(n-2)重的共振劈裂峰。
前者主要是由局域在突起中的束缚态引起的,而后着则对应于局域在限制区域的高能束缚态。
对于高能束缚态,结构中突起的作用相当于一个势垒而不是一个势阱。
当限制区域的长度增加时,更多的束缚态将存在于限制区域中。
对于量子反点阵列结构,在电导第一起始能量处同样存在(n-2)重的共振劈裂。
在第五章的基础上,第六章研究了在磁调制下两种典型的周期结构中由束缚态引起的传输共振现象。
对于包含n个垒的电超晶格结构,在第一电导台阶开始的地方出现了(n-1)重共振劈裂。
这些共振峰是由磁场调制下的束缚态引起的,处于这些束缚态中的电子主要是局限在势垒而不是势阱中。
对于包含n个限制区域的多波导管结构,高能区的(n-2)重共振劈裂在磁调制下变成了(n-1)重共振劈裂。
在第七章中,研究了四种L型石墨纳米带的电导和局域态密度。
结果表明,这些结构在费米面附近的电导取决于扶手椅型边界石墨带的类型。
当石墨纳米带的横向尺寸较小时,其电导及态密度对几何结构非常敏感。
第八章对本论文的工作进行了总结,并对以后的工作提出了一些设想。