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SW缺陷对硅纳米带结构和传输性能的影响

概述

使用密度泛函理论和非平衡格林函数方法，我们进行了含SW缺陷的锯齿形硅烯纳米带的结构和传输特性的研究。计算结果显示，基带能量比石墨烯和硅烯明显降低，这意味着再硅纳米带中这种缺陷很稳定。本征硅纳米带和含SW缺陷的硅纳米带在一定的偏压范围内可以观察负微分电阻（NDR）。为了阐明机制NDR行为，透射光谱和分子预计有条理的哈密顿(MPSH)状态会被详细探讨。

关键词： 硅纳米带；SW缺陷；结构和传输特性

1 介绍

硅是一种第四主族靠近碳的同时也具有稳定的单层蜂窝结构的元素。硅烯，是一种硅的石墨烯类似物，被预测是有着在石墨烯中观测到的狄拉克锥的零带隙半导体迅速吸引重要基础和工程科学的兴趣[1-5]。不同于著名的石墨烯，理论和实验研究表明，硼烯不是平面的，而是有着高度为0.44Aring;的低屈曲蜂窝结构[6-9]。根本原因是硼烯的扣合结构很有力，因为sp3杂化比sp2的形式更稳定[10，11]。

最近，在基于硼烯材料领域已经取得了许多进展，例如，通过在Ag（110）表面外延生长硅元素合成硅纳米带[12，13]。可是，大多数的合成纳米片都由不同的SW缺陷组成。与石墨烯[14-17]和硅烯[18-19]相同，这些缺陷会导致材料的电学性质和力学性质发生急剧改变。X.F.Yang et al [20]研究氢化锯齿形硅纳米带并且发现，在锯齿形硅纳米带中，负微分电阻同样存在。Jun Kang et al[21]研究6-ZSiNR和7-ZSiNR在一个小偏压下额传输谱，发现Even-N和odd-N ZSiNRs有这不一样的伏安关系。然而，关于SW缺陷对硅纳米带运输性质的影响依然没有被探索。在这篇文章中，我们将依据第一性原理着重于研究本征和含SW缺陷的锯齿形硅纳米带的结构和传输特性。我们的目的是在理论上研究缺陷对硅纳米带结构和运输特性的影响。本文组织如下：第二部分描述模型和计算方法，第三部分硅纳米带中SW缺陷的结构改变和稳定性，第四部分展示缺陷和没有缺陷的硅纳米带的运输特性。

图1 本征（a）和SW缺陷的最佳化结构

2 模型和方法

有无SW缺陷的硅纳米带的最佳化几何结构的俯视图和侧视图如图1所示。一个硅二聚体围绕Si-Si键的中心旋转90°便生成一个SW缺陷通过利用Atomistix ToolKit (ATK)使结构最佳化并且进行量子运输计算，这是基于其自洽非平衡格林函数和密度泛函理论。在外置偏压下，通过一个分子结的电流可以通过Landauer–Buuml;ttiker公式计算出来：

其中f是左侧和右侧电极的费米狄拉克分布，mu;L / R表示在应用偏压V的情况下向左或向右电极的电化学势并且电化学势的差异以eV的形式给出。和。此外，就是FL。

就是运输谱，其中是滞后和超前格林函数，并且耦合函数分别是左右自能量的虚部部分。自能量取决于电极区域的表面格林函数，来自延伸分子区域和电极之间的最近邻域的相互作用。为了系统的平衡，电导G由传输函数T（E）在系统费米能级（FL）计算：，其中，是电导的量子单元，h是普朗克常数，e是电荷。

在狡猾关联势的局部近似下，通过ATK计算几何优化和传输特性。在PerdewZunger (PZ)表中，交换相关函数被设置为局部密度近似（LDA）。网格设置截止150里德伯。本征硅纳米带和含SW缺陷的硅纳米带的双探针系统的结构如图2所示。我们用1times;1times;100 k点的Monkhorst-Pack网格计算了半无限电极的电子结构。基础集用于系统元素，总能量的收敛判据是10-4 Ry。

图2 本征硅纳米带和含SW缺陷的硅纳米带的双探针系统的结构

3 硅纳米带中的SW缺陷的稳定性

SW缺陷形成后四相邻的完美硅纳米带六边形被转化为一个五边形对和七边形对。如图1所示连接两个七边形的Si-Si键的长度是218Aring;，比没有SW缺陷的硅纳米带的对应部分要短。两个五边形和七边形的平均键长分别是2.257Aring;和2.267Aring;。对应于键长的变化，相邻六边形的键角也随之变化。相邻五边形和七边形的最大键角分别是120.1°和119.3°，与本征硅材料分别有7.2°和6.4°的偏差。键长和键角的最大的变化影响了整个系统的对称性。可以认为在含SW缺陷的硅纳米带中依然存在低屈曲蜂窝结构，而这两个原子，在图1中被标红，其凸面和凹面的程度降低。这些改变的原因在一定程度上源于SW缺陷的引入，另一部分由于系统热噪声。

为了研究硅纳米带中SW缺陷的稳定性，我们进行了结合能的计算。含SW缺陷的硅纳米带的结合能E_f由公式给出，其中和分别是有无SW缺陷时的系统总能量。本征硅纳米带和含SW缺陷的硅纳米带的系统总能量分别计算为-17326.9eV|和-17326.4eV。可得硅纳米带的E_f 为0.5eV，远比石墨烯的[24](4.66-5.63eV)和无限大硅烯层的[25](1.64eV-1.82eV)要小得多，这表明硅纳米带中的SW缺陷要比石墨烯和硅烯中的有更高的稳定性。

4 本征和含SW缺陷的硅纳米带的传输特性

图3 理想硅纳米带和含SW缺陷的硅纳米带的电流－外置偏压函数

图4理想硅纳米带和含SW缺陷的硅纳米带的整流比-外置偏压函数

在图3中，我们从-1V-1V以0.1V为步进分别绘制了理想硅纳米带和含SW缺陷的硅纳米带的伏安特性曲线。可以看出，理想硅纳米带表现出明显的不对称性。当|V|从0V变化到0.3V时，电流在正电压上迅速增加，达到理想硅纳米带结构的最大值0.2V。可以清楚的看到理想硅纳米带的电流随着电压增加迅速减小，表现出负微分电阻（NDR）特性。有趣的是，在较低的偏压范围内，也可以在含SW缺陷的硅纳米带的伏安特性曲线中观察到NDR现象，并且，从0V到0.3V理想硅纳米带和缺陷硅纳米带的特性相似。当电压大于0.3V时出现不同，当偏压从0.4V到1V几乎线性增加的阶段，理想硅纳米带的曲线出现两个峰值，缺陷硅纳米带的曲线并没有出现。为了展示系统不对称性，我们又计算了整流比。整流比被定义为R(V)=|I(V)/I(-V)|，如图4。整流比R(V)=1表示没有整流，整流比大于1表示正偏压下的电流比负偏压下的电流要小。从图4中含SW缺陷的硅纳米带的整流比可以看出，在0.65V以后整流比仍大于1，在电压为1.0V的时候整流比达到最大值1.4，比理想硅纳米带的值要大得多。结果表明，含SW缺陷的装置高偏压下要比理想硅纳米带表现出较好的整流效果。

图4 理想硅纳米带（a）和含SW缺陷硅纳米带（b）在不同的应用偏压下的传输特性，填充的区域表示偏置窗口，插图展示了较低偏压范文内的局部扩张

图4简要说明了理想硅纳米带和含SW缺陷的硅纳米带在不同偏压下的传输特性。平均费米能级设为0，导致电流积分的偏置窗口由填充区域表示。由于通过系统的电流是围绕费米能级的偏置窗口内的透射系数的积分，只能分析传输频谱的有限部分。对于理想硅纳米带，通过增加偏置电压到0.2V，当新的传输进入偏置电压窗口时，电流增加。当偏置电压达到0.4V时，偏置窗口的透射光谱减小，不能通过偏置窗口的增加来补偿，这导致图3中I-V曲线中的负微分电阻（NDR）行为。对于SW缺陷的SiNR，NDR现象出现在0.15V至0.3V的范围内，比理想SiNR的窄。

为了更进一步理解NDR现象，表1展示了最高占据分子轨道（HOMO），最低未占分子轨道（LUMO）及其附近轨道HOMO-1和LUMO 1的MPSH。考虑SW缺陷的硅纳米带（0.2v和0.4v），理想硅纳米带（0.15v和0.3v）的不同偏置值。 我们注意到，LUMO和LUMO 1的MPSH被离域，并且理想硅纳米带相应的传输通道在0.2V时打开。LUMO 1定位在0.4V，对电荷传输几乎没有贡献。所以我们就可以在I-V曲线中看到NDR现象。对于含SW缺陷的硅纳米带， PUMP和LUMO 1的NPSH在0.15V下离域，LUMO定位在0.3V。在SW缺陷的SiNR中也出现了类似的现象。同时，如果轨道在分子上离域，则在轨道能量处进入分子的电子有很高概率穿过分子[25]。因此，我们可以知道，在电压范围较低的偏压下，边界分子被打开以进行电子传输，同时它们以更高的偏压被抑制，导致观察到图4中的I-V曲线中的NDR行为。

表1 在特定偏置电压下，用于SW缺陷的SiNR的MPSH的前沿分子轨道

5 结论

总的来说，我们使用DFT与NEGF形式主义研究了基于Zigzag石墨烯纳米带与Stone-Wales缺陷的结构和传输性质的分子结的传输性质。计算出来的结合能明显比石墨烯和硅烯要低表示硅纳米带中的这些缺陷有着很高的稳定性。理想SiNR和含SW缺陷SiNR在一定偏置电压范围内都可以观察到NDR行为，而SW缺陷SiNR器件在高偏差下具有比理想SiNRs更好的整流效应。我们的计算结果表明，NDR行为源于边缘分子轨道的偏离增加的抑制。

电子传输通过基于硅烯的zigzag 和armchair结

1介绍

在过去的几十年,微型制造和自组装技术的进步[1]使得设计分子器件成为可能。许多分子设备已经显示出特有的I-V(电流-电压)属性,如负微分电阻(NDR)、整流和电流开关等。另一方面,在纳米材料的可控合成和表征方面的最新进展，为超薄二维系统的研究打开了重大可能性。石墨烯、二硫化钼、BN等的nanoribbons,二硫化钼、BN等被发现拥有各种不同寻常的特性,可以用于制作分子设备。优秀的调查研究石墨烯的成功导致了其他由第四主族元素组成的蜂窝状分子（如硅烯、石墨烯等）的研究。硅，作为元素周期表中与碳位于同一列中的元素，最近越来越多地吸引着对其存在蜂窝单层结构的关注。众所周知，与碳相似，硅拥有四价电子，具有许多与碳相似的特征。然而，硅也拥有一些碳没有的独特性质。最新的理论和实验研究表明，不同于石墨烯，硅并不是平面的，而是一个是有着高度为0.44Aring;的低屈曲蜂窝结构以便达到稳定结构。其根本原因是硅烯 sp3杂化的比其sp2杂化形式更稳定。类似于石墨烯纳米带（GNR），硅纳米带（SiNR）也有两种形状：锯齿形和扶手椅。研究表明，扶手椅SiNRs表现出半导体行为，而Z字形SiNRs具有稳定的抗铁磁性状态。Son等人在理论上显示，具有扶手椅或锯齿形边缘的吸附氢的GNR具有能够通过宽度或边缘形状调节的能带隙，并且显示出令人感兴趣的3n规则，并且被李和里特等人在实验上证明。众所周知，晶体管可以通过使用锯齿状纳米带作为源极和漏极并且半导体扶手椅纳米棒作为相同石墨烯层上的沟道。所以,这自然是一个被认为一个类似的silicene分子结结合曲折和扶手椅硅烯纳米带,叫做款ZAZ SiNRs结(图1所示)。

在当前工作中,我们通过使用非平衡态格林函数(NEGF)方法研究了曲折SiNRs和扶手椅SiNRs 之间的连接的电子传输。发现在某些N-ZAZ SiNRs中存在一些有趣的性质，例如负差分电阻（NDR），这为SiNR作为晶体管和互连的潜在应用提供了重要的见解。

2 模型和方法

ZAZ SiNRs的优化几何结构如图1所示N-ZAZ SiNRs以ZAZ SiNR边缘跨带宽度的二聚体线数命名。 优化了结构，并通过Atomistix ToolKit（ATK）封装[25,26]进行量子迁移计算，其基于完全自相一致的非平衡Green函数和密度泛函理论。在外部偏压下，通过连接点的电流由Landauer–Buuml;ttiker公式计算。

3 N-ZAZ SiNRs的运输特性

在[0v , 0.6v]的范围内计算了 3-ZAZ SiNRs, 4-ZAZ SiNRs 和 5-ZAZ 的伏安特性。可以发现5-ZAZ SiNRs表现出金属特性并且子啊一定偏压下其伏安特性曲线表现为线性。通过三个系统的电流按照5-ZAZ44-ZAZ43-ZAZ的顺序降低。特别地，通过5-ZAZ的电流在相同的施加偏压下比通过3-ZAZ的电流高得多。这就翻译时出错意味着3-ZAZ可以在相同的偏置电压下削弱电子传输。此外，当偏置值为0.1 V至0.3 V之间时，3-ZAZ SiNRs的电流在偏置范围内显示NDR特性。 当V大于0.4 V时，电流随着偏置电压迅速增加。然而，4-ZAZ SiNR和5-ZAZ SiNR的电流总是随着偏置电压而增加。 没有找到4-ZAZ SiNR和5-ZAZ SiNR的NDR行为。我们绘制了3-ZAZ SiNRs，4-ZAZ SiNRs和5-ZAZ SiNRs的相应电导率（dI / dV）曲线。 在零偏压下，3-ZAZ SiNRs，4-ZAZ SiNRs和5-ZAZ SiNRs的电导分别为1.59〜103nS，5.57〜103nS，4.62〜104nS。4-ZAZ SiNRs和5-ZAZ SiNRs的差分电导首先随着施加的偏差增加而增加，这意味着相应的传输通道被打开并对电子传输作出贡献。然而，对于3-ZAZ结构，与4-ZAZ和5-ZAZ结构相比，微分电导率下降，这表明3-ZAZ降低了传输性能。 特别是在3-ZAZ SiNR的[0.2 V，0.3 V]的偏置范围内可以发现负电导值，这与偏差区域的I-V曲线很好地匹配。

当外部偏置非常低时，I-V的特性取决于零偏置的透射光谱。 图4展示了在零偏压下计算N-ZAZ SiNR的透射光谱T（E，V）。我们可以清楚地看到，有4-ZAZ和5-ZAZ结构的传动较强。 因此，图4中可以看出4-ZAZ和5-ZAZ结构的金属特性。众所周知，透射系数与分子和电极之间的波函数重叠有关，即分子轨道

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