Spin-Resolved Electronic and Transport Properties dari Graphyne-Based Nanojunctions dengan Posisi Substitusi N yang Berbeda

Hasil dan Diskusi

Untuk melakukan perhitungan struktur pita elektronik praktis, sel satuan super periodik dengan doping-N sepanjang z arah sumbu pita dipertimbangkan. Untuk memudahkan pengamatan kontras, kami menampilkan semua sel satuan dalam bentuk ilustrasi untuk M₀ –M₇ pada Gambar. 2a–h. Untuk persimpangan yang kami usulkan, cincin heksagonal pusat yang mengandung posisi pelembagaan N dianggap memainkan pengaruh signifikan dalam sifat transportasi. Oleh karena itu, C₆ central pusat cincin dengan N-doping diapit dalam bingkai putus-putus biru dengan area berarsir biru, di mana kepadatan proyeksi keadaan juga telah dihitung dan ditampilkan di panel kanan Gambar. 2a–h.

(Warna online) Struktur pita elektronik (di panel kiri) dan distribusi kepadatan putaran (sisipan di panel kanan setiap gambar dengan awan merah dan biru yang menunjukkan elektron positif dan negatif) untuk sel unit super M ₀ –M₇ sesuai dengan a –h . Garis putus-putus biru horizontal juga digambar untuk menunjukkan posisi tingkat energi Fermi. Kepadatan keadaan yang diproyeksikan (PDOS) di panel kanan a –h adalah kerapatan keadaan sehubungan dengan semua atom dari cincin heksagonal di dalam bingkai berarsir biru, masing-masing. Di sini, garis merah dan hijau mewakili komponen spin-up (UP) dan spin-down (DN) untuk M₂ dan M₆ di c dan g

Pertama, kami menyelidiki karakteristik struktural dan elektronik AγGYNRs. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, pita elektronik sel super murni untuk M₀ menunjukkan bahwa AγGYNR adalah semikonduktor dengan celah energi langsung 1,16 eV. Pita konduksi terendah dan pita valensi tertinggi masing-masing berasal dari sub-band * dan [37, 69]. Tapi untuk M₁ dan M₂ dengan posisi pelembagaan N tunggal pada Gambar. 2b dan c, pita pengotor yang jelas membentang melintasi tingkat Fermi, yang menghasilkan celah energi nol. Menariknya, struktur pita elektronik M₂ adalah pemisahan putaran. Dimasukkannya doping N tunggal mempersempit kesenjangan energi di batas zona Brillouin. Akibatnya, struktur pita untuk M₁ dan M₂ berperilaku properti logam. Ketika sel satuan sistem didoping dengan doping N ganda untuk M₃ –M₇ dalam Gambar. 2d–h, beberapa properti baru dari struktur pita telah ditemukan. Kesenjangan energi M₃ , M₄ , dan M₇ telah dipersempit menjadi 0,06, 0,04, dan 0,44 eV karena penggunaan dopan dalam struktur murni, yang menggambarkan bahwa mereka masih semikonduktor setelah doping N ganda. Namun, kita dapat menemukan bahwa struktur pita M₅ dan M₆ melakukan metalisasi dengan celah pita nol pada Gambar. 2f dan g, sehingga penting untuk perilaku transportasi. Demikian pula, pemisahan spin dari struktur pita elektronik muncul dalam struktur doping ganda M₆ pada Gambar. 2g. Perhatikan bahwa kemunculan logam tergantung pada posisi pelembagaan N yang khas di pusat C₆ cincin AγGYNR. Seperti yang ditunjukkan nanti, bagian tengah dari C₆ cincin memang memengaruhi sifat konduksi AγGYNR yang dilaporkan dalam penelitian kami saat ini.

Untuk mengilustrasikan secara mendalam dampak posisi pelembagaan-N, elektron yang bergantung pada putaran pada atom N dapat diidentifikasi dari distribusi kerapatan putaran AγGYNR (lihat setiap sisipan pada Gambar. 2a–h). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c dan g, jelas, hamburan elektron yang bergantung pada putaran meningkat karena pengenalan atom N tunggal atau ganda; sebagai hasilnya, magnetisme AγGYNR ditingkatkan dibandingkan dengan yang murni pada Gambar 2a. Sementara itu, lompatan dan hamburan elektron yang relatif kaya juga dapat ditemukan pada Gambar 2d dan f. Untuk keempat gambar densitas spin tersebut, distribusi elektron yang bergantung pada spin telah menyebar ke semua sel satuan, yang menyebabkan konsekuensi bahwa ia berkontribusi pada transpor muatan. Namun demikian, distribusi kerapatan elektron sebagian terlokalisasi di bagian tengah inset untuk Gambar 2b dan e, sedangkan untuk Gambar 2h, terlokalisasi di bagian tengah dan bawah inset. Dengan demikian, dopan di cincin heksagonal pusat sel super memainkan dampak utama dalam pita elektronik. Pengamatan kami ditransfer ke wilayah C₆ berdering dalam struktur proposal kami.

Selain itu, delapan model telah ditampilkan sebagai sisipan di panel kanan Gambar 2a–h, di mana cincin heksagonal dengan posisi substitusi-N diapit dengan bingkai putus-putus berbayang biru dalam model, masing-masing. PDOS dari cincin heksagonal diplot di panel kanan Gambar 2a–h. Hasilnya menunjukkan bahwa PDOS dari area yang ditentukan di M₀ –M₇ dapat mencocokkan struktur pita elektronik yang sesuai dengan baik; khususnya, sub-pita * dan yang dekat dengan tingkat Fermi terutama berasal dari kontribusi cincin beranggota enam. Untuk model asli M₀ pada Gambar. 2a, tidak ada puncak PDOS di sekitar E _B menyebabkan celah energi yang lebar, yang menghasilkan sifat semikonduktor. Jika atom C khas dalam C₆ cincin diganti oleh atom N tunggal atau ganda sebagai M₁ –M₇ , puncak ganda tren PDOS bergerak mendekati E _B berkontribusi pada pengurangan celah pita. Misalnya, ada dua puncak tinggi PDOS di sekitar level Fermi (lihat Gbr. 2b dan e) untuk M₁ dan M₄; sebagian besar, mereka berkontribusi untuk mempersempit celah pita di zona Brillouin pertama. Yang lebih menarik, pita energi spin-up dan spin-down untuk M₂ dan M₆ (lihat Gbr. 2c dan g) membelah sebagai akibatnya PDOS spin-up (spin-down) bergerak turun (naik) ke tingkat energi yang lebih rendah (lebih tinggi). Namun, untuk M₃ , M₅ , dan M₇ di panel kanan Gambar. 2d, f, dan h, juga terdapat dua puncak PDOS yang terpisah di dekat level Fermi, yang berkontribusi pada kemunculan sub-pita * dan . Oleh karena itu, N-doping di pusat C₆ cincin bagian dari M₀ –M₇ adalah masalah vital, dan menarik untuk terus mempelajari transpor elektron rancangan AγGYNR dari delapan sel super asli.

Untuk mengilustrasikan sifat transpor AγGYNR, kami memplot jalur transmisi AγGYNR N-doping untuk menampilkan probabilitas transmisi nanoribbons pada Gambar. 3. Menghilangkan gambar dengan distribusi jalur transmisi yang sangat kecil untuk M₀ dan M₇ , perangkat M₁ –M₆ termasuk rantai molekul dengan empat sel unit berulang yang disebut sebagai D di wilayah hamburan pusat dipertimbangkan. Untuk M₀ dan M₇ , jalur transmisi terputus tanpa saluran transpor, dan lompatan dan hamburan elektron hanya muncul di elektroda kiri, sehingga distribusi jalur transmisinya diabaikan di sini. Keenam perangkat menampilkan saluran transpor yang sempurna pada Gambar. 3a–f, yang menunjukkan bahwa elektron dapat mengalir dari ujung kiri ke ujung kanan. Bahkan, elektron dapat melewati daerah hamburan pusat yang dihasilkan dari masuknya N-doping. Seperti yang ditampilkan pada Gambar. 3a dan b untuk M₁ dan M₂ , transisi elektronik tidak hanya terjadi antara atom tetangga terdekat tetapi juga antara atom tetangga terdekat berikutnya. Demikian pula, ketika doping N ganda diterapkan untuk M₃ –M₆ pada Gambar. 3c–f, transisi elektronik yang lebih kaya terjadi pada atom tetangga terdekat berikutnya.

(Warna online) Jalur transmisi AγGYNR N-doping sebagai M₁ –M₆ dengan empat rantai molekul periodik bernama D di wilayah tengah. Dalam tampilan a –f , warna panah penghubung antara dua atom memberikan arah loncatan transmisi elektron sesuai dengan garis warna yang digambar, dan warna berbeda yang berurutan sesuai dengan serangkaian sudut yang berbeda. Ambang diambil sebagai 0,05

Selanjutnya, kami terus fokus pada daerah hamburan pusat rantai molekul, menemukan bahwa transisi elektronik terdekat berikutnya digunakan untuk mengambil tempat di sekitar atom N untuk semua model yang ditampilkan pada Gambar. 3. Jadi, doping-N memainkan tindakan penting pada transisi elektronik, yang berkontribusi untuk menghasilkan arus yang lebih kuat pada Gambar. 4. Lebih menarik, sebagian besar jalur transmisi terlokalisasi di C₆ cincin AγGYNR, menunjukkan bahwa C₆ . yang didoping-N cincin melacak kontribusi utama untuk nanojunctions ini. Di kolom kiri Gambar. 3 untuk M₁ , M₃ , dan M₅ , jalur transmisi menunjukkan distribusi simetris selama rantai molekul. Tapi untuk M₂ , M₄ , dan M₆ di kolom kanan, mereka berperilaku tren transisi elektronik yang lebih lemah di molekul keempat dari daerah hamburan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, d, dan f. Jadi, rantai molekul yang lebih panjang di atas empat unit super berulang tidak cocok untuk dilakukan di persimpangan tipikal ini. Terutama, jalur transisi elektronik untuk M₅ pada Gambar. 3e mendistribusikan lebih banyak kemungkinan saluran transportasi daripada yang lain. Tren hamburan balik elektron untuk ditingkatkan di tepi atas rantai molekul karena adanya atom doping N ganda untuk M₅ dan M₆ pada Gambar. 3e dan f. Akibatnya, N-dopan memainkan pengaruh penting dalam pengangkutan muatan persimpangan AγGYNR. Selain itu, distribusi jalur transmisi asimetris untuk M₂ dan M₆ pada Gambar. 3b dan f dimungkinkan untuk menampilkan beberapa perilaku fisik yang sedang berlangsung. Diskusi terkait menarik untuk terus dipamerkan. Selanjutnya, kami ingin menunjukkan kurva arus untuk persimpangan ini untuk menemukan fenomena yang lebih menarik.

(Warna online) Tegangan arus (I-V ) karakteristik AγGYNR (a ) tanpa N-doping atau dengan N-doping tunggal seperti yang ditunjukkan pada b M₁ dan c M₂ untuk empat rantai molekul yang berbeda sebagai A-D. I-V kurva AγGYNRs dengan empat rantai molekul periodik sebagai D untuk d M_0D –M_2D atau e M_3D –M_7D . f I-V kurva AγGYNR untuk empat rantai molekul berbeda sebagai A–D untuk M₆

Untuk lebih memahami sifat transportasi dari persimpangan dua probe ini, kami menghitung I-V kurva untuk sambungan AγGYNR dengan empat rantai molekul berbeda dengan panjang berbeda pada Gambar 4. Saat kami memfokuskan pekerjaan kami pada struktur yang dihasilkan dari posisi pelembagaan N, efek pada panjang rantai molekul pada sifat transpor yang bergantung pada struktur belum secara eksplisit dipertimbangkan. Perangkat murni untuk M₀ telah diselidiki pada Gambar. 4a. Ada tegangan ambang ~ 1.2 V, di bawahnya celah konduktansi meningkat dengan meningkatnya tegangan bias, yang dihasilkan dari pergeseran struktur pita (lihat Gambar 2a) di sadapan kiri dan kanan. Oleh karena itu, terdapat arus yang sangat lemah untuk empat perangkat seperti M_0A –M_0D di inset Gambar. 4a (untuk kejelasan, diagram I-V kurva telah diperbesar di bawah kisaran bias [0, 1.0 V]). Ketika tegangan yang diberikan lebih besar dari 1,2 V, kita dapat mengetahui bahwa semakin panjang rantai molekul, arus semakin lemah, menyiratkan bahwa rantai molekul dapat menghambat lompatan elektron dari elektroda kiri ke kanan. Penjelasan terkait ditampilkan pada Gambar. 5a, memungkinkan kita berkonsentrasi pada puncak transmisi di dekat E _B karena arus sebagian besar disumbangkan oleh puncak transmisi [18, 20]. Spektrum transmisi M_0A melacak beberapa puncak di sekitar tingkat Fermi; sebaliknya, puncak transmisi menjadi lebih rendah dan lebih rendah dari M_0A ke M_0D dengan bertambahnya panjang ikatan molekul. Untuk kejelasan, sisipan Gambar 5a menunjukkan puncak penguatan untuk M_0C dan M_0D mengacu pada akun untuk pengurangan arus. Memang, AγGYNR murni bukanlah elektroda yang sempurna untuk membuat sambungan spin (elektronik); masalah posisi pelembagaan N perlu dipertimbangkan di sini.

(Warna online) Spektrum transmisi yang dihitung dari AγGYNR pada bias nol a tanpa atau b –d dengan berbagai model N-doping dalam kawat nano molekul horizontal, di mana sel unit berulang yang sesuai ditampilkan pada Gambar. 1. a Spektrum transmisi untuk AγGYNR non-doping untuk M₀ termasuk empat rantai molekul dengan panjang molekul berbeda untuk A–D; warna garis padat pada gambar konsisten dengan yang ada pada Gambar 2a. Inset adalah sebagian tampilan blow-up dari tampilan utama di mana spektrum transmisi kurang dari 0,1. Demikian pula, garis padat di b konsisten dengan garis-garis dengan warna umum pada Gambar. 2d untuk M_0D –M_2D , dan garis padat di c /d sesuai dengan yang ada di Gambar. 2e untuk M_3D –M_7D , masing-masing

Ketika perangkat didoping dengan atom N tunggal dengan posisi 1 (M₁ ) atau 2 (M₂ ), masing-masing, situasi yang berlawanan terjadi, dan kami melihat bahwa semua arus ditingkatkan pada Gambar. 4b dan c. Arus memperoleh nilai yang besar di bawah V 1.2 V, dan itu terjadi menurun dengan meningkatnya bias untuk perangkat M_1A –M_1H pada Gambar. 4b. Perhatikan bahwa perilaku NDR yang jelas dapat diamati dengan penurunan arus yang terjadi antara 0,6 dan 1,6 V. kurva menunjukkan bahwa efek NDR juga ditemukan untuk M_2B pada Gambar. 4c. Maksimum peak to valley ratio (PVR) bisa mencapai hingga 5,6. Namun, kurva lain menunjukkan fitur menarik yang berbeda yang berasal dari jalur transportasi asimetris pada Gambar. 3b, yang mungkin dapat menghasilkan efek fisik baru yang akan dibahas nanti.

Selanjutnya, untuk membandingkan pengaruh dopan, kami memplot I-V kurva M₀ , M₁ , dan M₂ dengan empat rantai molekul berulang pada Gambar. 4d, menunjukkan bahwa doping-N tunggal AγGYNR dapat secara efektif meningkatkan transpor muatan yang mengarah ke arus yang kuat. Oleh karena itu, nilai garis merah (untuk M_1D ) dan garis biru (untuk M_2D ) lebih besar dari garis hitam (untuk M_0D ). Dilihat dari Gambar 5b, puncak transpor M_1D meluas ke kisaran energi 0,26 eV ≤ E 0.8 eV, berkontribusi pada elektron yang mengalir melalui wilayah hamburan pusat. Terdapat puncak transpor yang tajam di sekitar level Fermi untuk M_2D (garis biru) yang sedikit lebih rendah dari yang sebelumnya; akibatnya, kurva arus yang relatif lebih lemah muncul. Tentu saja, tidak ada celah transportasi untuk M_0D (lihat garis hitam pada Gambar 5b) menghasilkan nilai arus yang hampir nol. Meskipun ada banyak puncak transportasi di E> 1.0 eV, mereka memiliki kontribusi kecil untuk properti transportasi perangkat berdasarkan AγGYNR. Oleh karena itu, doping-N tunggal adalah metode yang efektif untuk mempromosikan hamburan dan lompatan elektron pada sambungan nano yang kami rancang.

Ketika perangkat murni didoping dengan atom N ganda, hasil komputasi menunjukkan bahwa arus total bervariasi dengan posisi pengganti dopan untuk modifikasi kimia. Gambar 4e menunjukkan bahwa arus M_4D dan M_5D lebih besar dari tiga 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 _B ) 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