異なるN-置換位置を持つグラフィンベースのナノ接合のスピン分解電子および輸送特性

はじめに

スピントロニクスデバイスの潜在的な候補として、いくつかの2次元（2D）炭素材料が実証されています[1,2,3,4,5]。最近、この側面について2D炭素材料に関する実験的研究がますます行われています[6、7、8、9、10、11]。特に、グラフェン[12,13,14,15]とグラフェン[16,17,18,19]のナノ構造と関連デバイス[20,21,22]が理論的に提案されています。その後、整流[12、20]、スイッチング[13、23]、負の差抵抗（NDR）[23、24、25]、およびスピンフィルタリング[26、27、28]の貴重な効果がこれらで観察されました。デバイス。さらに、グラフェンとグラフェンの材料は、その優れた電子特性と輸送特性により、スピントロニクス分子接合の電極材料と見なされています。

私たちが知っているように、研究の成果は、グラフェンナノリボンを調整して、実験で分子デバイスとして多くの構造に切断できることを示しています[29、30]。同様に、グラフェン構造[17、18、19、31、32]は炭素原子でできており、グラフェンよりも調整可能な電子特性と輸送特性を保持しています。最近、クロスカップリング反応の方法論を採用することにより、グラフジイン膜が銅表面に生成することが実証されました[8]。修正されたGlaser-Hayカップリング反応を使用してgraphdiyneナノウォールを合成する合理的なアプローチがZhouらによって報告されています。 [9]。しかし、相互に関連する実験的観察もまた、長い間真の課題であり続けています。時間の経過とともに、グラフィンナノリボンは、クロスカップリング反応法、透過型電子顕微鏡内での高エネルギー電子照射を使用することにより、実験で接合部に準備されることにも熱心です[8、29、30]。さらに、高いキャリア移動度と進行中の電子特性[4、33]が含まれているため、α-[34、35]、β-[36]、γ-[37]、6、6、12-を含むグラフィン構造[27]、α-2-[38]、δ-[39]、14,14,14-グラフィン[40]、および相対ヘテロ接合[41、42]は、理論上ますます注目を集めています。ただし、2つの半無限γ-グラフィンナノ電極間の繰り返し分子単位で構成されるいくつかの長さ制御分子鎖の輸送特性に関する調査は不足しています。

アームチェアとジグザグエッジに分類できるγ-グラフェンナノリボン（γGYNR）[43]は、エッジに関係なくバンドギャップのある半導体挙動を示します[18]。さらに、アームチェアγGYNR（AγGYNR）は、ジグザグナノリボン[18]よりも大きなバンドギャップを保持するため、ジグザグのものよりもスピントロニクスおよび分子接合を構築するために使用されません[44,45,46]。しかし、Nドーピングは、グラフェンとグラフェンの電子特性と輸送特性を変化させることが報告されており[47,48,49,50,51]、バンドギャップを狭めることができます。実験では、Nドーピングがグラフェンシートに実装されています[52、53]。ただし、γGYNRは、グラフェンのようにキャリアの有効質量が小さく、キャリアの移動度が高い半導体であると予測されています[4]。ドーパントに関する以前の理論的研究でも、GYNRの興味深い電子特性または輸送特性が示されています[49、50、54、55]。グラフジインNR [8、9]およびNドーピングの有無にかかわらずデバイス[56、57]に関する以前の実験的調査も最近報告されています。さらに、γGYNRの2つの炭素六角形間のアセチレン結合は、 n としてさまざまな候補のドーピングを実現するための多くの自然な穴を提供します -ドーピングまたは p -半導体のドーピング。したがって、ここで提案されているAγGYNRの接合部でのシングルまたはダブルのNドーピングを検討することが不可欠です。

異なるN置換位置を持つ2つの半無限AγGYNRに挟まれたいくつかの長さ調整可能な分子鎖のスピン電子および輸送特性を深く理解することを目的として、第一原理計算をLandauer-Büttikerと組み合わせて使用​​して計算作業を終了しました。この論文のアプローチ。理論シミュレーションの結果は、Nドーピングが3-AγGYNR接合のエネルギーギャップを効率的に低減し、次にM ₂ の単一Nドーピングが効率的に低減できることを示唆しています。 M ₆ の二重Nドーピング エネルギーバンドのスピン分裂を引き起こす可能性があります。 Nドーピングのない3-AγGYNR接合の輸送電流は、散乱領域の繰り返しユニットの数が増えるにつれて弱まります。対照的に、電流は、単一または二重のN-置換位置を持つ3-AγGYNR接合のより長い分子鎖で強化されます。興味深いことに、整流と明らかなNDR効果は、M ₂ のNドーピング接合部で観察されます。 およびM ₆ 。このような振る舞いは、2つの電極と散乱領域の間の異なる結合から発生します。微視的レベルでNDRの振る舞いのメカニズムを説明するために、非対称にNドープされた接合部に含まれる長い分子鎖が、開いた輸送の存在により、より明白なパルスのような電流-電圧依存性を誘発する可能性があることを示した理由より高いバイアスの下で、対応するバイアスウィンドウ内のチャネル。さらに、N置換位置を持つ六角形のリングは、輸送プロセスに重大な影響を及ぼします。

この論文は次のように分かれています。「モデリングと計算方法」のセクションでは、ジャンクションの説明と方法を提案します。次に、「結果と考察」のセクションでそれらの内部メカニズムに関する結果と考察を説明し、計算結果を「結論」のセクションに要約します。

モデリングと計算方法

1〜4個の繰り返される分子単位で構成される分子ワイヤは、1つのベンゼンと1つのアセテニルで構成されており、Nドーピングの有無にかかわらず、図1の中央のパネルに4つの緑色の破線の長方形のボックスが示されています。 N-置換位置を持つ分子鎖の散乱領域は、2つの対称的な半無限AγGYNRの間に挟まれています。ここで、1-繰り返し分子鎖（A）、2-繰り返し分子ワイヤー（B）、3-繰り返し分子鎖（C）、およびそれぞれ、4回繰り返される分子鎖（D）が適用されます。 π-σ-π構造の対称構造のため、ここでは電極として3-AγGYNRを選択します。左側の鉛、散乱領域、右側の鉛は、設計されたナノ接合に含まれており、デバイスのエッジにあるすべての炭素原子は、構造の安定性を向上させるために水素原子で飽和されています[18、43、45、46]。私たちの提案するデバイスの場合、分子鎖は、他の構造と同様に、実験で機械的方法またはγGYNR全体からの化学反応によって接合部に直接引きずられるか彫刻されるのに便利です[29、30、56]。わかりやすくするために、図1の上部パネルのメインビューは、中央位置に単一のN置換位置を持つスーパーユニットセルによって使用されています。これは、M ₁ と呼ばれます。 図1の下部パネルの2番目の図。便宜上、C ₆ の原子置換位置 リングには、赤い枠の対応する原子の下にそれぞれ1、2、3、4、および5の番号が付けられています。同様に、Nドーピングのない元のデバイスはM ₀ と呼ばれます。 、ここで、2つの典型的な単一のN置換位置（1または2の原子位置を置き換える）を持つモデルはM ₁ です。 およびM ₂ 、および異なる置換位置（1 / 5、2 / 3、2 / 4、1 / 4、および1/2の原子位置を置き換える）で5つの典型的な二重Nドーピングを持つものは、M _{と名付けられます。 3} –m ₇ 、 それぞれ。図1のメインビューで破線の長方形のボックスで囲まれた赤い影付きの部分は、ナノリボンの周期的なスーパーセルであり、8つのモデルに置き換えられています。したがって、合計で32の典型的なモデルが研究されています。たとえば、M ₁ のジャンクション DはM _1D を呼び出す必要があるため、4つの繰り返される分子単位の分子鎖を含む1の単一のN開始位置を使用します。 。

（オンラインカラー）2プローブシステムの概略図。わかりやすくするために、単一のNドーピングを備えたデバイス（下部パネルの2番目のスーパーセルはM ₁ AγGYNRの）がトップパネルのメインダイアグラムとして選択されています。青い影付きの長方形の領域は、左右のリード線を示し、その間に中央の散乱領域があります。灰色、白、青の固体球は、それぞれ炭素原子、水素原子、窒素原子を表しています。輸送方向は z に沿っています 軸。さらに、メイン図の緑色の網掛けの分子単位は定期的に複製され、中央のパネルにベンゼンとアセテニル分子を含む分子鎖の長さが異なる4つの構造が生成されます。これらはA〜Dと呼ばれています。また、赤い網掛けの枠は、M ₀ のもので変更できるナノリボンの周期的なスーパーユニットセルを示しています。 –m ₇ 下部パネルのシングル/ダブルN-置換位置の有無にかかわらず。便宜上、C ₆ の原子位置 リングには、赤い枠の対応する原子の下にそれぞれ1、2、3、4、5の番号が付けられています

。

まず、Atomistix ToolKit（ATK）パッケージで密度汎関数理論計算を実装することにより、ユニットセルと分子接合のすべての構造を最適化します[46、47、48、58]最適化の結果によると、窒素の結合距離と炭素原子は1.43Åに近づきます。これは、γGYNRのC–C結合の同様の結合長1.43〜1.46Åで炭素原子を置き換えるのに適しています[31、59]。さらに、最近傍ベンゼン間のシステムのC≡C結合は、最適化後も安定しています。総エネルギーが低いモデルとして構造を選択します。シングルNドーピングのスーパーユニットセル間のエネルギー差は0.57eVであり、ダブルNドーピングのスーパーユニットセルは1.63 eVまで増加し、実験的に実現しやすいと考えられています。したがって、これらの分子接合は、Nドーピングを備えた新しいデバイスとして適用できます。詳細な計算パラメータは次のように実装されています。ノルム保存型擬ポテンシャルと、交換相関ポテンシャルに対してPerdew、Burke、およびErnzerhof関数を使用したスピン一般化勾配近似を使用します[60、61、62]。計算幾何学は、各原子にかかるすべての残留力が0.02eVÅ ^-1 より小さくなるまで最適化されます。 。電子構造の計算を行うために、ブリルアンゾーンの1×1×15Monkhorst-Packのk点グリッドが採用されています。スピン依存輸送計算の逆格子空間サンプリングのMonkhorst-Packメッシュは、 x で1、1、および100です。 、 y 、および z それぞれ方向、およびカットオフエネルギーは150Ryに採用されています。ダブル-ζ 分極基底は、C、H、およびNを含むすべての要素に設定されます。さらに、総エネルギーの収束基準は10 ^-5 に設定されます。 eV。搬送方向が z に設定されているため 軸では、周期的な画像間の相互作用を回避するために、〜25Åの層間真空距離が使用されます[63、64]。エネルギーの関数としての透過スペクトル（ E ）およびバイアス電圧（ V ）は次のように定義されます

ここで G ^{R （ A ）} は、中央散乱領域とГ _{L の遅延（高度）グリーン関数です。 （ R ）} 左（右）電極の結合行列です。スピン輸送電流は、Landauer-Büttikerの式[65,66,67,68]

ここで、μ _{L / R} = E _F ± eV / 2は、フェルミエネルギー（ E ）による電気化学ポテンシャルです。 _F ）外部 V の下で両方のリードに共通の材料の 、およびフェルミディラック分布関数は\（{f} _ {L / R}（E）=1 / \ left [1+ {e} ^ {\ left（E-{\ mu} _ {L / R } \ right）/ {\ kappa} _BT} \ right] \）左/右リード。

結果と考察

実用的な電子バンド構造計算を実行するために、 z に沿ってNをドープした周期的スーパーユニットセル リボン軸の方向が考慮されます。コントラスト観測の便宜のために、M ₀ のイラストの形ですべてのユニットセルを示します –m ₇ 図2a–h。私たちが提案した接合部では、Nを開始する位置を含む中央の六角形のリングが輸送特性に大きな影響を与えると考えられています。したがって、中央のC ₆ Nドーピングのあるリングは、青い影付きの領域のある青い破線のフレームで囲まれています。このフレームでは、予測される状態密度も計算され、図2a–hの右側のパネルに示されています。

（オンラインカラー）M _{のスーパーユニットセルの電子バンド構造（左側のパネル）とスピン密度分布（正と負の電子を示す赤と青の雲のある各写真の右側のパネルの挿入図） 0} –m ₇ a に対応 – h 。水平の青い破線も、フェルミ準位の位置を示すために描かれています。 a の右側のパネルに投影された状態密度（PDOS） – h は、それぞれ青い影付きフレーム内の六角形リングのすべての原子に関する状態密度です。ここで、赤と緑の線は、M ₂ のスピンアップ（UP）コンポーネントとスピンダウン（DN）コンポーネントを表しています。 およびM ₆ c で および g

まず、AγGYNRの構造的および電子的特性を調査します。図2aに示すように、M ₀ の元のスーパーセルの電子バンド は、AγGYNRが1.16eVの直接エネルギーギャップを持つ半導体であることを示しています。最も低い伝導帯と最も高い価電子帯は、それぞれπ*とπサブバンドに由来します[37、69]。ただし、M ₁ の場合 およびM ₂ 図2bおよびcの単一のN開始位置では、明らかな不純物バンドがフェルミ準位全体に広がり、エネルギーギャップがゼロになります。興味深いことに、M ₂ の電子バンド構造 スピン分裂です。単一のNドーピングを含めると、ブリルアンゾーン境界でのエネルギーギャップが狭くなります。その結果、M ₁ のバンド構造 およびM ₂ 金属特性を振る舞います。システムのユニットセルにM ₃ の二重Nドーピングをドープした場合 –m ₇ 図1および2 2d–h、バンド構造のいくつかの新しい特性が発見されました。 M ₃ のエネルギーギャップ 、M ₄ 、およびM ₇ 元の構造にドーパントを使用しているため、0.06、0.04、および0.44 eVに狭められています。これは、二重Nドーピング後も半導体であるとイメージしています。ただし、M ₅ のバンド構造がわかります。 およびM ₆ 図2fおよびgでバンドギャップがゼロの金属量を実行すると、輸送動作にとって重要になります。同様に、電子バンド構造のスピン分裂は、M ₆ の二重ドープ構造で発生します。 図2g。金属量の出現は、中央のC ₆ の典型的なN開始位置に依存することに注意してください。 AγGYNRのリング。後で示すように、C ₆ の中央部分 リングは確かに私たちの現在の研究で報告されたAγGYNRの伝導特性に影響を与えます。

Nを開始する位置の影響を深く説明するために、AγGYNRのスピン密度分布からN原子上のスピン依存電子を特定できます（図2a〜hの各挿入図を参照）。図2cおよびgに示されているように、明らかに、電子のスピン依存散乱は、単一または二重のN原子の導入により増加します。その結果、AγGYNRの磁性は、図2aの元の状態に比べて向上しています。一方、電子の比較的豊富なホッピングと散乱は、図2dとfにも見られます。スピン密度のこれらの4つの写真では、スピン依存電子の分布がすべてのユニットセルに広がっており、電荷輸送に寄与するという結果につながっています。それにもかかわらず、電子密度の分布は、図2bおよびeの挿入図の中央部分に部分的に局在していますが、図2hの場合、挿入図の中央および下部に局在しています。したがって、スーパーセルの中央の六角形リングのドーパントは、電子バンドに主な影響を及ぼします。私たちの観測はC ₆ の領域に転送されます 提案構造を呼び出します。

さらに、8つのモデルが図2a〜hの右側のパネルに挿入図として示されています。ここでは、N置換位置を持つ六角形のリングが、モデル内の青い影付きの破線のフレームでそれぞれ囲まれています。六角形のリングのPDOSは、図2a–hの右側のパネルにプロットされています。結果は、M ₀ の指定された領域のPDOSを示唆しています。 –m ₇ 対応する電子バンド構造とよく一致することができます。特に、フェルミ準位に近いπ*およびπサブバンドは、主に6員環の寄与に由来します。 M ₀ の元のモデルの場合 図2aでは、 E の周りにPDOSのピークはありません。 _F エネルギーギャップが大きくなり、半導体特性が得られます。 C ₆ の典型的なC原子の場合 リングは、M ₁ として単一または二重のN原子に置き換えられます –m ₇ 、PDOSのダブルピークは E に近づく傾向があります _F バンドギャップの減少に貢献します。たとえば、M ₁ の場合、フェルミ準位の周りにPDOSの2つの高いピークがあります（図2bおよびeを参照）。 およびM ₄ ;それらは、最初のブリルアンゾーンでのバンドギャップを狭めることに大きく貢献します。さらに興味深いことに、M ₂ のスピンアップおよびスピンダウンエネルギーバンド およびM ₆ （図2cおよびgを参照）は、スピンアップ（スピンダウン）PDOSがより低い（より高い）エネルギー状態に下（上）に移動した結果として分裂しています。ただし、M ₃ の場合 、M ₅ 、およびM ₇ 図2d、f、およびhの右側のパネルには、フェルミ準位の近くにPDOSの2つの別個のピークも存在します。これは、π*およびπサブバンドの出現に寄与します。したがって、中央のC ₆ のNドーピング M ₀ のリング部分 –m ₇ これは重要な問題であり、8つの元のスーパーセルから設計されたAγGYNRの電子伝達を研究し続けることは興味深いことです。

AγGYNRの輸送特性を説明するために、NドーピングAγGYNRの透過経路をプロットして、ナノリボンの透過確率を図3に示します。M _{0 およびM 7 、デバイスM 1 –m 6 中央散乱領域にDと名付けられた4つの繰り返されるユニットセルを持つ分子鎖を含むと見なされます。 M 0 の場合 およびM 7 、伝送経路は輸送チャネルなしで切断され、電子のホッピングと散乱は左側の電極にのみ現れるため、伝送経路の分布はここでは無視されます。 6つのデバイスすべてが、図3a〜fに完全な輸送チャネルを示しています。このチャネルは、電子が左側のリードから右側のリードに流れることができることを示しています。実際、電子は、Nドーピングが含まれているために中央の散乱領域を通過する可能性があります。 M 1 の図3aおよびbに示されているように およびM 2 、電子遷移は、最も近い隣接原子間だけでなく、次に最も近い隣接原子間でも発生します。同様に、M 3 にダブルNドーピングを適用した場合 –m 6 図3c–fでは、次に近い隣接原子に対して、より豊富な電子遷移が発生します。}

（オンラインカラー）M ₁ としてのNドーピングAγGYNRの伝達経路 –m ₆ 中央領域にDという名前の4つの周期的な分子鎖があります。 a の見解では – f 、2つの原子間の接続矢印の色は、描画されたカラーバーに従って電子伝達のホッピング方向を示し、連続する異なる色は一連の異なる角度に対応します。しきい値は0.05と見なされます

さらに、分子鎖の中央散乱領域に引き続き焦点を当て、図3に表示されているすべてのモデルのN原子の周囲で、次に近い電子遷移が発生することを発見しました。したがって、Nドーピングは重要な役割を果たします。図4で、より強い電流を生成するのに寄与する電子遷移について説明します。さらに興味深いことに、ほとんどの伝送経路はC ₆ に局在します。 AγGYNRのリング。NドープC ₆ リングは、これらのナノジャンクションの主な寄与を追跡します。 M ₁ の図3の左側の列 、M ₃ 、およびM ₅ 、伝達経路は分子鎖の間に対称的な分布を示します。ただし、M ₂ の場合 、M ₄ 、およびM ₆ 右の列では、図3b、d、およびfに示すように、散乱領域の4番目の分子で弱い電子遷移傾向を示しています。したがって、4つの繰り返されるスーパーユニットを超える長い分子鎖は、これらの典型的な接合部で実行するのには適していません。特に、M ₅ の電子遷移の経路 図3eでは、他のチャネルよりも多くの輸送チャネルの可能性を分散しています。電子の後方散乱は、M ₅ の二重Nドーピング原子の存在により、分子鎖の上端で強化される傾向があります。 およびM ₆ 図3eおよびf。その結果、N-ドーパントはAγGYNR接合の電荷輸送に重要な影響を及ぼします。さらに、M ₂ の伝達経路の非対称分布 およびM ₆ 図3bおよびfでは、進行中の身体的行動を表示することができます。対応する議論は継続的に展示されることに関心があります。次に、これらの接合部の電流曲線を表示して、より興味深い現象を見つけます。

（オンラインカラー）電流-電圧（ I-V ）AγGYNRの特性（ a ） b に示すように、Nドーピングなしまたは単一Nドーピングあり M ₁ および c M ₂ A〜Dとしての4つの異なる分子鎖の場合。 I-V d のDとして4つの周期的分子鎖を持つAγGYNRの曲線 M _0D –m _2D または e M _3D –m _7D 。 f I-V M ₆ のA–Dとしての4つの異なる分子鎖のAγGYNRの曲線

これらの2プローブ接合の輸送特性をさらに理解するために、 I-V を計算します。 図4に、長さの異なる4つの異なる分子鎖を持つAγGYNR接合の曲線を示します。生成されたN開始位置の構造に焦点を当てたため、構造に依存する輸送特性に対する分子鎖の長さへの影響は明確ではありませんでした。考慮。 M ₀ 用の手付かずのデバイス 図4aで調査されました。 〜1.2 Vのしきい値電圧があり、それを下回ると、左右のリード線のバンド構造（図2aを参照）のシフトに起因するバイアス電圧の増加に伴ってコンダクタンスギャップが増加します。したがって、M _0A のように、4つのデバイスには非常に弱い電流が存在します。 –m _0D 図4aの挿入図（わかりやすくするために、 I-V の図 バイアス範囲[0、1.0 V]）で曲線が拡大されています。印加電圧が1.2Vより大きい場合、分子鎖が長いほど電流が弱くなり、分子鎖が左電極から右電極への電子のホッピングを妨げる可能性があることがわかります。対応する説明が図5aに表示されており、 E 付近の透過ピークに集中できます。 _F なぜなら、電流は透過ピークによって大きく寄与されているからです[18、20]。 M _0A の透過スペクトル フェルミ準位周辺のいくつかのピークを追跡します。逆に、透過ピークはM _0A からどんどん低くなります。 M _0D へ 分子リンクの長さが長くなるにつれて。わかりやすくするために、図5aの挿入図は、M _0C の増幅ピークを示しています。 およびM _0D 電流の減少を説明することを指します。実際、元のAγGYNRはスピン（電子）接合を構築するための完全な電極ではありません。ここでは、Nを開始する位置の問題を検討する必要があります。

（オンラインカラー）ゼロバイアスでのAγGYNRの計算された透過スペクトル a なしまたは b – d 水平分子ナノワイヤにさまざまなNドーピングモデルを使用し、対応する繰り返しユニットセルを図1に示します。 a M ₀ の非ドーピングAγGYNRの透過スペクトル A〜Dの分子長が異なる4つの分子鎖を含みます。図の実線の色は、図2aの色と一致しています。挿入図は、透過スペクトルが0.1未満のメインビューの部分的な拡大図です。同様に、 b の実線 M _0D の図2dの一般的な色の線と一致しています。 –m _2D 、および c の実線 / d M _3D の図2eのものに対応します –m _7D 、それぞれ

デバイスが位置1（M ₁ ）によって単一のN原子でドープされている場合 ）または2（M ₂ ）それぞれ、逆の状況が発生し、図4bおよびcですべての電流が増加していることがわかります。電流は V の下で大きな値を取得します ≤1.2Vであり、デバイスM _1A のバイアスの増加とともに減少します。 –m _1D 図4b。明らかなNDRの動作は、0.6〜1.6Vの間に発生する電流の低下で観察できることに注意してください。同様の I-V 曲線は、NDR効果がM _2B でも見られることを示しています 図4c。ピーク対バレー比（PVR）の最大値は最大5.6に達する可能性があります。ただし、他の曲線は、図3bの非対称輸送経路に由来するさまざまな興味深い特徴を示しており、後で説明する新しい物理的効果をもたらす可能性があります。

さらに、ドーパントの影響を比較するために、 I-V をプロットします。 M ₀ の曲線 、M ₁ 、およびM ₂ 図4dに4つの分子鎖が繰り返されていることから、AγGYNRの単一のNドーピングにより、電荷輸送が効果的に強化され、強い電流が発生することがわかります。したがって、赤い線の値（M _1D の場合） ）と青い線（M _2D の場合） ）は黒い線よりも大きい（M _0D の場合） ）。図5bからわかるように、M _1D の輸送ピーク −0.26eV≤ E のエネルギー範囲に拡張 ≤0.8eV、中央の散乱領域を流れる電子に寄与します。 M _2D のフェルミ準位の周りには、鋭い輸送ピークが存在します。 （青い線）前者より少し低いです。その結果、比較的弱い電流曲線が現れます。確かに、M _0D のトランスポートギャップはゼロです。 （図5bの黒い線を参照）、電流の値はほぼゼロになります。 E には多くの輸送ピークがありますが> 1.0 eV、それらはAγGYNRに基づくデバイスの輸送特性にわずかな貢献をします。したがって、単一のNドーピングは、設計されたナノ接合での電子の散乱とホッピングを促進するための効果的な方法です。

手付かずのデバイスに二重N原子がドープされている場合、計算結果は、化学修飾のためのドーパントの置換位置によって総電流が変化することを示唆しています。図4eは、M _4D の電流を示しています。 およびM _5D are larger than the three ones of M_3D , M_6D , and M_7D 。 The blue line for M_5D exhibits a nearly linear increase as a function of bias voltage with a large current occurring at high bias, while the red one for M_4D is a nonlinear curve with a bigger current under the low voltage, because the red transmission peak in Fig. 5c localized around the Fermi level which is easy to be conducted at a lower bias, the blue transmission peak keeps away from the zero energy level which needs a high voltage to breakout the transport channel. So, the current of M_4D is larger than the one of M_5D at the low bias of [0, 1.2 V], but it begins to become stronger at higher biases.

As explained before, all the transmission spectra of three junctions hold many transmission peaks near the Fermi level (the transmission coefficients are zero at E _F ) in Fig. 5d, thereby the low currents produce. Especially, there are many higher peaks of the yellow line at positive energy, supporting that the obvious NDR effect appears. To deeply observe the NDR phenomenon for M₆ , we plot all the I-V characteristics from M_6A to M_6D , finding that the NDR effect begins to strengthen with the increase of length for molecular chain. The PVR can increase from 1.7 for M_6A to 5.4 for M_6B , then a PVR maximum of 24.5 can be reached for M_6D from the value of 12.8 for M_6C 。 Note that the length of the molecular chain can efficiently modulate the occurrence and intensity of NDR behavior.

Meanwhile, the calculated spin-resolved currents as a function of bias voltage are also exhibited for M_2D and M_6D in Fig. 6, so as to clearly observe the interesting features of spin devices. Within the total bias voltage, both the model devices display visible asymmetric pulse-like I-V behavior in Fig. 6 a and b, which yields a perfect NDR phenomenon. The spin-up current for M_2D behaves the NDR effect with a PVR of 18.9 in Fig. 6a; nevertheless, the value of PVR reaches up to 36.8 within the spin-up case of M_6D between 0.8 and 1.6 V in Fig. 6b and it is also 24 for the spin-down case from 1.2 to 1.6 V. Particularly, for the model 2D in Fig. 6a, the positive currents are stronger than the negative ones at both spin directions, implying that a rectification effect can be found in this device. The rectification ratio (RR) can be defined [70] as the formula:RR(%) = I(V)/│I( − V)│ × 100% for the spin-up (spin-down) current. For the difference of rectification ratio between spin-up and spin-down cases, the RR of spin-up and spin-down current is 480% and 440% at ± 0.6 V, respectively. So, from the viewpoint of practical application, the N-doping not only can impact the band structure [71, 72], but also modulate the device behaviors. The intrinsic physicochemical mechanisms can be used to explain these effects.

(Color online) The spin-dependent I-V curves of AγGYNRs with a single N-doping and b double N-doping, whose models are shown as M_2D and M_6D in Fig. 1. All the models only consider the structures considering the molecular chain with four repeated molecular units as D

To analyze the corresponding mechanisms of the above rectification phenomenon, the spin-dependent band structures at the bias of ± 0.6 V and the transmission spectra of molecular junctions for M_2D have been exhibited in Fig. 7. By introducing single N-doping into pristine molecular junction, one can find that the spin-up electronic band of the device at the left electrode shift along the negative energy level, whereas for the right electrode, the band trends to move along the positive direction in Fig. 7a. Whereupon, we can find that the sub-band of the left lead coupling with the one of the right lead at E  ≈ 0.25 eV and the transmission peak moves into the bias window, resulting in that the transport channel opens at 0.6 V contributing to the charge transport. When a voltage of − 0.6 V is applied for the nanodevice in Fig. 7b, the energy bands of the left and right electrodes move in opposite directions. Although the sub-bands of the left and right electrodes still match each other, there is a nearly zero transmission probability within the bias window, which is the reason of low current at V _b  = − 0.6 V. Thereby the rectifying behavior can be obtained here. In general, the phenomenon of rectifier often occurs in the asymmetric molecular structures [20], so the asymmetry of molecular devices is the main reason for the generation of this behavior.

(Color online) The spin-up band structures of the left/right leads and the spin-up transmission spectra of AγGYNRs with single N-doping at the adjoining position for M_2D under the biases of a 0.6 and b − 0.6 V. The region between the double horizontal green dashed lines is the corresponding bias window

There are many NDR effects that have been observed in our proposed models; to better interpret the foundation of NDR, we draw the relative diagrams in Fig. 8. For instance, as expected before, the NDR producing from 0.8 to 1.6 V in a spin-up direction with a high PVR of 36.8 for M_6D is chosen as an example here. Under the bias of 0.8 V, the left sub-bands can strongly match with the right ones, the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) behaves a crucial action in Fig. 8a, which results in that a scattering channel can be allowed for spin-up electrons’ hopping. There is a green dashed line with an arrow in Fig. 8a, describing that the transmission channel is open for electron transport at 0.8 V. The highest occupied molecular orbital (HOMO) performing the secondary role also contributes to the electron transport at 0.8 V. When the bias is increased up to 1.6 V, as displayed in Fig. 8b, the energy for the bias window is also expanded to ± 0.8 eV. There happens a lower transmission peak appearing in the corresponding bias window, but weak coupling between the sub-bands of both leads can be found in that energy area, which leads to a terrible weak transmission peak in the scattering area from the left to the right electrode. Hence, the NDR arises in the spin-up current including a high PVR for M_6D with the double N-instituting positions. It could be an outstanding candidate for a spin-switch of the nanoelectronic device based on AγGYNRs in the future. Therefore, the generation and transport features of spin-polarized currents are still vital issues for spintronics devices [73].

(Color online) The spin-up band structures of the left/right leads and the spin-up transmission spectra of AγGYNRs with double N-doping for M_6D under the biases of a 0.8 V and b 1.6 V. The region between the double horizontal green dashed lines is the corresponding bias window. For clarity, the maximum of transmission spectra in b is set to 0.1

結論

In summary, the comprehensive ab initio calculations based on the density functional theory combined with non-equilibrium Green’s function formalism on the 2D armchair 3-γ-graphyne sheets and nanoribbons with the incorporation of nitrogen atoms possess many electronic and transport characteristics that are obviously different from those of well-known graphene and typical graphynes. By exploring the impact of single or double N-doping defects of AγGYNRs, our results confirm that band structures of super unit cells are highly dependent on the positions of the dopant in the central C₆ ring of nanoribbons. We can obtain some semiconducting nanoribbons with narrow band gap or conductors of AγGYNRs. With regard to the transport properties, the different lengths of molecular chains induce interesting negative difference resistance behavior which has been expected for nanoelectronic junctions. In particular, the hexagonal rings in the middle of nanoribbons hold a vital role in the transport properties. The longer the molecular chain is, the more obvious NDR effect can be observed in the junctions including N-instituting positions. For the crucial N-doping for junctions M_2D and M_6D , the spin-polarized currents with the maximums of rectification ratio and peak to valley ratio of 480% and 36.8 in spin-up direction have been found, respectively. We propose the distinct physical mechanisms notably suggesting that the molecular junctions of AγGYNRs endow potential applications for future nanoelectronic devices.

データと資料の可用性

The design of nanojunctions and computational calculations were carried out by ATK.

略語

2D：

二次元

ATK:

Atomistix ToolKit

AγGYNR:

Armchair-edged γ-graphyne nanoribbon

C₆ ：

Six-membered carbon

DN:

Spin-down

E _F ：

Fermi energy

HOMO：

最高被占軌道

LUMO：

Lowest unoccupied molecular orbital

NDR:

Negative difference resistance

PDOS：

Projected density of state

PVR:

Peak to valley ratio

RR:

Rectification ratio

UP:

Spin-up