Properti Elektronik dan Transport Terselesaikan Spin pada Nanjuntinya Grafin dengan Situs Substitusi Nitrogen Variabel
Abstrak
Seiring perkembangan cepat kemajuan teoretis pada nanoribbon dan nanojunksi grafin dua dimensi, kami menyelidiki struktur pita elektronik dan properti transport untuk junksi yang didasarkan pada nanoribbon γ-grafin tepi kursi (AγGYNR) dengan substitusi nitrogen (N) asimetrik di heksagon karbon pusat. Dengan menggunakan perhitungan prinsip pertama, hasil komputasi kami menunjukkan bahwa jumlah dan lokasi pengolahan N tunggal atau ganda dapat memodulasi pita energi elektronik secara efisien, dan cincin heksagonal pengolahan N di tengah junksi memainkan peran vital dalam transport muatan. Secara khusus, efek resistensi negatif (NDR) teramati, yang memiliki rasio puncak-ke-lemah terbaik hingga 36,8. Menariknya, junksi pengolahan N dengan rantai molekuler yang lebih panjang di daerah pencaran pusat dapat menginduksi perilaku NDR yang lebih jelas. Penjelasan mekanisme di tingkat mikroskopik telah menunjukkan bahwa junksi pengolahan N asimetrik dengan memperkenalkan rantai molekuler yang lebih panjang dapat menghasilkan ketergantungan arus-tegangan seperti pulsa yang lebih signifikan karena kehadiran saluran transport dalam jendela bias pada tegangan bias yang lebih tinggi. Selain itu, ketika injeksi spin dipertimbangkan, efek pemutar yang menarik dalam kombinasi dengan NDR tersedia, yang diharapkan dapat diterapkan dalam perangkat spintronic di masa depan.
Pendahuluan
Beberapa materi karbon dua dimensi (2D) telah terbukti sebagai calon potensial untuk perangkat spintronic [1,2,3,4,5]. Akhirnya, lebih dan lebih studi eksperimental pada materi karbon 2D telah dilakukan pada aspek ini [6,7,8,9,10,11]. Khususnya, struktur nanostruktur grafin [12,13,14,15] dan grafin [16,17,18,19] serta perangkat terkait [20,21,22] telah diusulkan secara teoretis. Selanjutnya, efek berharga pemutar [12, 20], pengalihan [13, 23], resistensi negatif (NDR) [23,24,25], dan penyaringan spin [26,27,28] telah diamati dalam perangkat ini. Selanjutnya, materi grafin dan grafin dianggap sebagai materi elektroda untuk junksi molekuler spintronic, karena properti elektronik dan transport yang luar biasa.
Seperti yang diketahui, karya penelitian menunjukkan bahwa nanoribbon grafin dapat disesuaikan dan dipotong menjadi banyak struktur sebagai perangkat molekuler dalam eksperimen [29, 30]. Secara serupa, struktur grafin [17,18,19, 31, 32] terbuat dari atom karbon, yang memiliki properti elektronik dan transport yang dapat disesuaikan lebih baik dari pada grafin. Akhirnya, film grafdiyen telah terbukti dihasilkan pada permukaan tembaga dengan menggunakan metodologi reaksi silang-silang [8]. Pendekatan rasional untuk sintetisasi dinding nano grafdiyen dengan menggunakan reaksi silang Glaser-Hay yang dimodifikasi telah dilaporkan oleh Zhou et al. [9]. Namun, pengamatan eksperimental yang terkait juga masih merupakan tantangan nyata untuk waktu yang lama. Seiring waktu, nanoribbon grafin juga ingin disiapkan menjadi junksi dalam eksperimen dengan menggunakan metode reaksi silang-silang, irradiasi elektron energik di dalam mikroskop transmisi elektron [8, 29, 30]. Selanjutnya, karena inklusi mobilitas pemegang tinggi dan karakteristik elektronik yang berkelanjutan [4, 33], struktur grafin termasuk α- [34, 35], β- [36], γ- [37], 6,6,12- [27], α-2- [38], δ- [39], 14,14,14-grafin [40], dan heterojuntinya terkait [41, 42] semakin mendapat perhatian dalam teori. Namun, terdapat ketiadaan dalam penelitian mengenai karakteristik transport beberapa rantai molekuler yang dikontrol panjangnya yang terdiri dari unit molekuler berulang antara dua elektroda nano γ-grafin semi-tak terhingga.
Nanoribbon γ-grafin (γGYNR) [43], yang dapat diklasifikasikan menjadi tepi kursi dan tepi sisik, menunjukkan perilaku semiikon dengan celah energi tanpa mempedulikan tepi [18]. Selain itu, nanoribbon γ-grafin tepi kursi (AγGYNR) jarang digunakan untuk mengkonstruksi junksi spintronic dan molekuler dibandingkan dengan yang tepi sisik [44,45,46], karena ia memiliki celah energi yang lebih besar dari nanoribbon tepi sisik [18]. Namun, pengolahan N telah dilaporkan dapat mengubah properti elektronik dan transport grafin dan grafin [47,48,49,50,51], yang mampu menyebabkan penyempitan celah energi. Dalam eksperimen, pengolahan N telah diimplementasikan pada lembar grafin [52, 53]. Namun, γGYNR telah diprediksi sebagai semiikon yang menunjukkan massa efektif pemegang kecil dan mobilitas pemegang tinggi seperti grafin [4]. Penelitian teoretis sebelumnya tentang dopan juga telah menampilkan properti elektronik atau transport yang menarik dari GYNR [49, 50, 54, 55]. Penelitian eksperimental sebelumnya pada NR grafdiyen [8, 9] dan perangkat dengan atau tanpa pengolahan N [56, 57] juga telah dilaporkan akhir-akhir ini. Selain itu, hubungan asetilenik antara dua heksagon karbon untuk γGYNR menyediakan lubang alami yang cukup untuk merealisasikan pengolahan berbagai kandidat sebagai semiikon n-doping atau p-doping. Oleh karena itu, esensial untuk mempertimbangkan pengolahan N tunggal atau ganda dalam junksi AγGYNR yang kami usulkan di sini.
Tergerak untuk memahami secara dalam properti elektronik dan transport spin beberapa rantai molekuler yang dapat disesuaikan panjangnya yang disisipkan antara dua AγGYNR semi-tak terhingga dengan posisi substitusi N yang berbeda, kami telah menyelesaikan pekerjaan komputasi dengan menggunakan perhitungan prinsip pertama dalam kombinasi dengan pendekatan Landauer-Büttiker dalam makalah ini. Hasil simulasi teoretis menunjukkan bahwa pengolahan N dapat secara efisien mengurangi celah energi junksi 3-AγGYNR, lalu pengolahan N tunggal M2 dan pengolahan N ganda M6 dapat menginduksi pemisahan pita energi spin. Arus transport junksi 3-AγGYNR tanpa pengolahan N melemah seiring bertambahnya jumlah unit berulang di daerah pencaran; sebaliknya, arusnya bertambah dengan rantai molekuler yang lebih panjang untuk junksi 3-AγGYNR dengan posisi substitusi N tunggal atau ganda. Menariknya, efek pemutar dan NDR yang jelas diamati dalam junksi pengolahan N M2 dan M6. Perilaku ini timbul dari coupling yang berbeda antara dua elektroda dan daerah pencaran. Untuk menjelaskan mekanisme perilaku NDR di tingkat mikroskopik, alasan yang ditunjukkan bahwa rantai molekuler yang lebih panjang yang terkandung dalam junksi pengolahan N asimetrik dapat menginduksi ketergantungan arus-tegangan seperti pulsa yang lebih jelas karena kehadiran saluran transport yang terbuka dalam jendela bias yang sesuai pada bias yang lebih tinggi. Selain itu, cincin heksagonal dengan posisi substitusi N memiliki dampak vital dalam proses transport.
Makalah ini dibagi sebagai berikut: Dalam bagian "Modeling dan Metode Komputasi", deskripsi dan metode junksi diusulkan. Selanjutnya, kami menjelaskan hasil dan diskusi mengenai mekanisme internal mereka dalam bagian "Hasil dan Diskusi", dan hasil komputasi diringkas dalam bagian "Kesimpulan".
Modeling dan Metode Komputasi
Kawat molekuler yang terdiri dari 1~4 unit molekuler berulang, yang terdiri dari satu benzen dan satu asetenil dengan atau tanpa pengolahan N, ditampilkan di panel tengah Gambar 1 dengan empat kotak persegi panjang garis putus hijau. Daerah pencaran rantai molekuler dengan posisi substitusi N disisipkan antara dua AγGYNR semi-tak terhingga simetris, di mana rantai molekuler 1-berulang (A), kawat molekuler 2-berulang (B), rantai molekuler 3-berulang (C), dan rantai molekuler 4-berulang (D) digunakan, masing-masing. Kami memilih 3-AγGYNR sebagai elektroda di sini karena struktur simetris arsitektur π-σ-π. Elektroda kiri, daerah pencaran, dan elektroda kanan terkandung dalam nanojunksi yang kami desain, dan semua atom karbon di tepi perangkat disaturasi oleh atom hidrogen untuk meningkatkan stabilitas struktur [18, 43, 45, 46]. Untuk perangkat kami yang diusulkan, rantai molekuler mudah untuk diikuti atau diukir langsung menjadi junksi dengan metode mekanis atau reaksi kimia dari γGYNR utuh dalam eksperimen seperti struktur lainnya [29, 30, 56]. Untuk kejelasan, tampilan utama di panel atas Gambar 1 digunakan oleh sel unit super dengan posisi substitusi N tunggal di posisi tengah, yang disebut sebagai M1 dalam gambar kedua di panel bawah Gambar 1. Untuk kenyamanan, posisi substitusi atom cincin C6 diberi nomor 1, 2, 3, 4, dan 5 seperti yang ditunjukkan di bawah atom yang sesuai dari bingkai merah, masing-masing. Secara serupa, perangkat murni tanpa pengolahan N disebut sebagai M0, di mana model dengan dua posisi substitusi N tipikal (mengganti posisi atom 1 atau 2) adalah M1 dan M2, dan yang memiliki lima pengolahan N ganda tipikal pada posisi substitusi yang berbeda (mengganti posisi atom 1/5, 2/3, 2/4, 1/4, dan 1/2) dinamakan sebagai M3–M7, masing-masing. Bagian merah yang dilingkari oleh kotak persegi panjang garis putus di tampilan utama Gambar 1 adalah sel unit periodik nanoribbon, yang digantikan oleh delapan model. Oleh karena itu, total ada 32 model tipikal yang telah diteliti. Misalnya, junksi M1 dengan posisi substitusi N tunggal 1 yang termasuk rantai molekuler dengan empat unit molekuler berulang sebagai D harus disebut sebagai M1D.
(Warna online) Tampilan skematis sistem dua uji. Untuk kejelasan, perangkat dengan pengolahan N tunggal (sel unit super kedua di panel bawah sebagai M1) dari AγGYNR dipilih sebagai diagram utama di panel atas. Area persegi panjang yang diarsir biru menunjukkan elektroda kiri dan kanan, di antaranya adalah daerah pencaran pusat. Bola padat abu-abu, putih, dan biru mewakili atom karbon, hidrogen, dan nitrogen, masing-masing. Arah transport adalah sepanjang sumbu z. Selanjutnya, unit molekuler yang diarsir hijau di diagram utama dapat direplikasi secara periodik sehingga menghasilkan empat struktur dengan panjang rantai molekuler yang berbeda termasuk molekul benzen dan asetenil di panel tengah, yang telah dinamakan sebagai A–D. Selain itu, bingkai merah menunjukkan sel unit super periodik nanoribbon yang dapat digantikan oleh M0–M7 dengan atau tanpa posisi substitusi N tunggal/ganda di panel bawah. Untuk kenyamanan, posisi atom cincin C6 diberi nomor 1, 2, 3, 4, dan 5 seperti yang ditunjukkan di bawah atom yang sesuai dari bingkai merah, masing-masing
Kami terlebih dahulu mengoptimalkan semua struktur sel unit dan junksi molekuler dengan melakukan perhitungan teori fungsi densitas dalam paket Atomistix ToolKit (ATK) [46,47,48, 58]. Menurut hasil optimasi, jarak ikatan antara atom nitrogen dan karbon mendekati 1,43 Å, yang cocok untuk mengganti atom karbon dengan panjang ikatan serupa 1,43~1,46 Å dari ikatan C–C dalam γGYNR [31, 59]. Selain itu, ikatan C ≡ C sistem di antara benzen terdekat tetap stabil setelah optimasi. Kami memilih struktur sebagai model kami dengan energi total lebih rendah. Perbedaan energi antara sel unit super dengan pengolahan N tunggal adalah 0,57 eV, dan yang dengan pengolahan N ganda meningkat hingga 1,63 eV, yang dianggap lebih mudah untuk direalisasikan secara eksperimental. Jadi, junksi molekuler ini dapat diterapkan sebagai perangkat baru dengan pengolahan N. Parameter komputasi rinci telah diimplementasikan sebagai berikut. Kami menggunakan pseudopotensi konservatif norma dan dekredean gradasi umum spin dengan fungsi Perdew, Burke, dan Ernzerhof untuk potensi korelasi-tukaran [60,61,62]. Geometri komputasi dioptimalkan hingga semua gaya sisih pada setiap atom lebih kecil dari 0,02 eV Å−1. Untuk melakukan perhitungan struktur elektronik, grid k-titik 1 × 1 × 15 Monkhorst-Pack di zona Brillouin diadopsi. Jaring Monkhorst-Pack untuk sampel ruang reciprok untuk perhitungan transport bergantung pada spin adalah 1, 1, dan 100 pada arah x, y, dan z, masing-masing, dan energi potong diadopsi hingga 150 Ry. Basis berdadu ζ-polarisasi diatur untuk semua elemen termasuk C, H, dan N. Selain itu, kriteria konvergensi untuk energi total diatur ke 10−5 eV. Karena arah transport diatur ke sumbu z, jarak vakum antar lapisan ~ 25 Å digunakan untuk menghindari interaksi antara citra periodik [63, 64]. Spektrum transmisi sebagai fungsi energi (E) dan tegangan bias (V) didefinisikan sebagai
di mana GR(A) adalah fungsi Green retarded (advanced) dari daerah pencaran pusat dan ГL(R) adalah matriks coupling elektroda kiri (kanan). Arus transport spin dihitung dengan menggunakan rumus Landauer-Büttiker [65,66,67,68]
$$ I(V)=\left(\frac{\mathrm{e}}{h}\right){\int}_{\mu_L}^{\mu_R}T\left(E,\right.\left.V\right)\left[{f}_L\left(E-{\mu}_L\right)-{f}_R\left(E-{\mu}_L\right)\right] dE, $$
di mana μL/R = EF ± eV/2 adalah potensial elektrokimia dalam hal energi Fermi (EF) dari materi yang umum bagi kedua elektroda di bawah tegangan eksternal V, dan fungsi distribusi Fermi-Dirac adalah \( {f}_{L/R}(E)=1/\left[1+{e}^{\left(E-{\mu}_{L/R}\right)/{\kappa}_BT}\right] \) di elektroda kiri/kanan.
Hasil dan Diskusi
Untuk melakukan perhitungan struktur pita elektronik praktis, sel unit super periodik dengan pengolahan N sepanjang arah z sumbu sumbu ribbon dipertimbangkan. Untuk kenyamanan perbandingan observasi, kami menampilkan semua sel unit dalam bentuk ilustrasi untuk M0–M7 dalam Gambar 2a–h. Untuk junksi yang kami usulkan, cincin heksagonal pusat yang berisi posisi substitusi N dianggap memainkan pengaruh signifikan pada properti transport. Oleh karena itu, cincin C6 pusat dengan pengolahan N dilingkari bingkai garis putus biru dengan area diarsir biru, di mana padatan status terproyeksi juga telah dihitung dan ditampilkan di panel kanan Gambar 2a–h.
(Warna online) Struktur pita elektronik (di panel kiri) dan distribusi densitas spin (inset di panel kanan setiap gambar dengan awan merah dan biru yang menunjukkan elektron positif dan negatif) untuk sel unit super M0–M7 yang sesuai dengan a–h. Garis putus biru horizontal juga digambar untuk menunjukkan posisi level energi Fermi. Padatan status terproyeksi (PDOS) di panel kanan a–h adalah padatan status terhadap semua atom cincin heksagonal di dalam area diarsir 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 dalam Gambar 2a, pita elektronik sel unit super murni untuk M0 menunjukkan bahwa AγGYNR adalah semiikon dengan celah energi langsung 1,16 eV. Pita konduksi terendah dan pita valensi tertinggi berasal masing-masing dari sub-pita π* dan π [37, 69]. Namun, untuk M1 dan M2 dengan posisi substitusi N tunggal dalam Gambar 2b dan c, pita asing yang jelas merentang melintasi level Fermi, yang menghasilkan celah energi nol. Menariknya, struktur pita elektronik M2 mengalami pemisahan spin. Pemasukan pengolahan N tunggal menyempitkan celah energi di batas zona Brillouin. Akibatnya, struktur pita untuk M1 dan M2 menunjukkan properti logam. Saat sel unit sistem yang di-dop dengan pengolahan N ganda untuk M3–M7 dalam Gambar 2d–h, beberapa properti baru dari struktur pita telah ditemukan. Celah energi M3, M4, dan M7 telah disempit menjadi 0,06, 0,04, dan 0,44 eV karena penggunaan dopan dalam struktur murni, yang menunjukkan bahwa mereka masih merupakan semiikon setelah pengolahan N ganda. Namun, kami dapat menemukan bahwa struktur pita M5 dan M6 menunjukkan logam dengan celah energi nol dalam Gambar 2f dan g, yang mengakibatkan pentingnya untuk perilaku transport. Secara serupa, pemisahan spin dari struktur pita elektronik timbul dalam struktur di-dop ganda M6 dalam Gambar 2g. Perhatikan bahwa kemunculan logam tergantung pada posisi substitusi N tipikal di cincin C6 pusat AγGYNR. Seperti yang ditunjukkan nanti, bagian tengah cincin C6 memang mempengaruhi properti konduksi AγGYNRs yang dilaporkan dalam karya kami saat ini.
Untuk menggambarkan secara dalam dampak posisi substitusi N, elektron bergantung spin pada atom N dapat diidentifikasi dari distribusi densitas spin AγGYNRs (lihat setiap inset dalam Gambar 2a–h). Seperti yang ditampilkan dalam Gambar 2c dan g, jelas, pencaran spin-bersifat elektron meningkat karena perkenalan atom N tunggal atau ganda; sebagai akibatnya, magnetisme AγGYNRs ditingkatkan dibandingkan dengan murni dalam Gambar 2a. Sementara itu, lompat dan pencaran elektron yang cukup kaya juga dapat ditemukan dalam Gambar 2d dan f. Untuk keempat gambar densitas spin tersebut, distribusi elektron bergantung spin telah menyebar ke semua sel unit, yang mengakibatkan kontribusi pada transport muatan. Namun, distribusi densitas elektron sebagian terlokalisasi di bagian tengah inset untuk Gambar 2b dan e, sedangkan untuk Gambar 2h, ia terlokalisasi di bagian tengah dan bawah inset. Oleh karena itu, dopan di cincin heksagonal sel unit super memainkan dampak utama pada pita elektronik. Observasi kami dipindahkan ke daerah cincin C6 dalam struktur kami yang diusulkan.
Selanjutnya, delapan model telah ditampilkan sebagai inset di panel kanan Gambar 2a–h, di mana cincin heksagonal dengan posisi substitusi N dilingkari dengan bingkai garis putus yang diarsir biru dalam model, masing-masing. PDOS cincin heksagonal ditampilkan di panel kanan Gambar 2a–h. Hasilnya menunjukkan bahwa PDOS area yang ditetapkan dalam M0–M7 dapat cocok dengan struktur pita elektronik yang sesuai dengan baik; khususnya, sub-pita π* dan π di dekat level Fermi terutama berasal dari kontribusi cincin enam sisi. Untuk model asli M0 dalam Gambar 2a, tidak ada puncak PDOS di sekitar EF yang mengakibatkan celah energi yang lebar, yang menghasilkan properti semiikon. Jika atom C tipikal di cincin C6 diganti oleh atom N tunggal atau ganda sebagai M1–M7, puncak ganda PDOS cenderung bergerak mendekati EF yang berkontribusi pada penurunan celah energi. Misalnya, ada dua puncak tinggi PDOS di sekitar level Fermi (lihat Gambar 2b dan e) untuk M1 dan M4; dalam hal besar, mereka berkontribusi untuk menyempitkan celah energi di zona Brillouin pertama. Secara menarik, pita energi spin-up dan spin-down untuk M2 dan M6 (lihat Gambar 2c dan g) terpisah karena PDOS spin-up (spin-down) bergerak ke bawah (ke atas) ke status energi yang lebih rendah (lebih tinggi). Namun, untuk M3, M5, dan M7 di panel kanan Gambar 2d, f, dan h, masih ada dua puncak terpisah PDOS di dekat level FIFA, yang berkontribusi pada kemunculan sub-pita π* dan π. Oleh karena itu, pengolahan N di bagian cincin C6 pusat M0–M7 adalah masalah vital, dan menarik untuk melanjutkan studi transport elektron AγGYNRs yang dirancang dari delapan sel unit super asli.
Untuk menggambarkan properti transport AγGYNRs, kami menampilkan jalur transmisi pengolahan N AγGYNRs untuk menampilkan probabilitas transmisi nanoribbon dalam Gambar 3. Mengabaikan gambar dengan distribusi jalur transmisi yang sangat kecil untuk M0 dan M7, perangkat M1–M6 termasuk rantai molekuler dengan empat sel unit berulang dinamakan D di daerah pencaran pusat dipertimbangkan. Untuk M0 dan M7, jalur transmisi terputus tanpa saluran transport, dan lompat serta pencaran elektron hanya muncul di elektroda kiri, sehingga distribusi jalur transmisi mereka diabaikan di sini. Semua enam perangkat menampilkan saluran transport yang sempurna dalam Gambar 3a–f, yang menunjukkan bahwa elektron dapat mengalir dari elektroda kiri ke kanan. Faktanya, elektron dapat melewati daerah pencaran pusat akibat pemasukan pengolahan N. Seperti yang ditampilkan dalam Gambar 3a dan b untuk M1 dan M2, transisi elektron tidak hanya terjadi di antara atom terdekat tetapi juga di antara atom berikutnya terdekat. Secara serupa, saat pengolahan N ganda diterapkan untuk M3–M6 dalam Gambar 3c–f, transisi elektron yang lebih kaya terjadi di atom berikutnya terdekat.
(Warna online) Jalur transmisi pengolahan N AγGYNRs sebagai M1–M6 dengan empat rantai molekuler periodik dinamakan D di daerah pusat. Dalam tampilan a–f, warna panah penghubung di antara dua atom memberikan arah lompat transmisi elektron menurut bar warna yang digambar, dan warna berurutan yang berbeda sesuai dengan serangkaian sudut yang berbeda. Ambang diambil sebesar 0,05
Selanjutnya, kami terus fokus pada daerah pencaran pusat rantai molekuler, menemukan bahwa transisi elektron berikutnya terdekat digunakan untuk terjadi di sekitar atom N untuk semua model yang ditampilkan dalam Gambar 3. Jadi, pengolahan N memainkan peran penting pada transisi elektron, yang berkontribusi pada produksi arus yang lebih kuat dalam Gambar 4. Secara menarik, sebagian besar jalur transmisi terlokalisasi di cincin C6 AγGYNRs, menunjukkan bahwa cincin C6 yang di-dop N memberikan kontribusi utama untuk nanojunksi ini. Di kolom kiri Gambar 3 untuk M1, M3, dan M5, jalur transmisi menunjukkan distribusi simetris selama rantai molekuler. Namun, untuk M2, M4, dan M6 di kolom kanan, mereka menunjukkan tren transisi elektron yang lebih lemah di molekul keempat daerah pencaran seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3b, d, dan f. Oleh karena itu, rantai molekuler yang lebih panjang di atas empat sel unit super tidak cocok untuk dilakukan di junksi tipikal ini. Khususnya, jalur transisi elektron untuk M5 dalam Gambar 3e mendistribusikan lebih banyak kemungkinan saluran transport dibandingkan yang lainnya. Pencaran balik elektron cenderung ditingkatkan di tepi atas rantai molekuler karena keberadaan atom pengolahan N ganda untuk M5 dan M6 dalam Gambar 3e dan f. Akibatnya, dopan N membawa peran vital dalam transport muatan junksi AγGYNR. Selain itu, distribusi tidak simetris jalur transmisi untuk M2 dan M6 dalam Gambar 3b dan f mungkin dapat menampilkan beberapa perilaku fisik yang berkelanjutan. Diskusi yang sesuai menarik untuk ditampilkan secara berkelanjutan. Selanjutnya, kami ingin menampilkan kurva arus untuk junksi ini untuk menemukan fenomena yang lebih menarik.
(Warna online) Karakteristik arus-tegangan (I-V) AγGYNRs (a) tanpa pengolahan N atau dengan pengolahan N tunggal seperti yang ditunjukkan di b M1 dan c M2 untuk empat rantai molekuler berbeda A–D. Kurva I-V AγGYNRs dengan empat rantai molekuler periodik sebagai D untuk d M0D–M2D atau e M3D–M7D. f Kurva I-V AγGYNRs untuk empat rantai molekuler berbeda A–D untuk M6
Untuk memahami lebih dalam properti transport junksi dua uji ini, kami menghitung kurva I-V untuk junksi AγGYNR dengan empat rantai molekuler berbeda panjang dalam Gambar 4. Karena kami fokus pekerjaan kami pada struktur yang dihasilkan dari posisi substitusi N, efek panjang rantai molekuler pada properti transport bergantung pada struktur belum secara eksplisit dipertimbangkan. Perangkat murni untuk M0 telah diteliti dalam Gambar 4a. Ada ambang tegangan sekitar 1,2 V, di bawahnya celah konduksi meningkat seiring bertambahnya tegangan bias, akibat dari pergeseran struktur pita (lihat Gambar 2a) di elektroda kiri dan kanan. Oleh karena itu, ada arus yang sangat lemah untuk empat perangkat M0A–M0D di inset Gambar 4a (untuk kejelasan, diagram kurva I-V telah diperbesar di bawah rentang bias [0, 1,0 V]). Saat tegangan yang diterapkan lebih besar dari 1,2 V, kami dapat menemukan bahwa semakin panjang rantai molekul, arusnya semakin lemah, yang menunjukkan bahwa rantai molekuler dapat menghambat lompat elektron dari elektroda kiri ke kanan. Penjelasan yang sesuai ditampilkan dalam Gambar 5a, yang memungkinkan kami untuk fokus pada puncak transmisi di dekat EF karena arus sebagian besar dikontribusi oleh puncak transmisi [18, 20]. Spektrum transmisi M0A memiliki beberapa puncak di sekitar level Fermi; sebaliknya, puncak transmisi menjadi lebih rendah dari M0A hingga M0D dengan bertambahnya panjang rantai penghubung molekuler. Untuk kejelasan, inset Gambar 5a yang menunjukkan puncak diperbesar untuk M0C dan M0D merujuk untuk menjelaskan pengurangan arus. Memang, AγGYNR murni bukan elektroda yang sempurna untuk mengkonstruksi junksi spin (elektronik); isu posisi substitusi N perlu dipertimbangkan di sini.
(Warna online) Spektrum transmisi yang dihitung AγGYNRs pada bias nol a tanpa atau b–d dengan berbagai model pengolahan N di kawat molekuler horizontal, di mana sel unit berulang yang sesuai ditampilkan dalam Gambar 1. a Spektrum transmisi untuk AγGYNRs non-doping M0 termasuk empat rantai molekuler dengan panjang molekuler berbeda A–D; warna garis padat dalam gambar konsisten dengan yang ada dalam Gambar 2a. Inset adalah tampilan diperbesar sebagian dari tampilan utama di mana spektrum transmisi kurang dari 0,1. Secara serupa, garis padat di b konsisten dengan garis dengan warna umum dalam Gambar 2d untuk M0D–M2D, dan garis padat di c/d sesuai dengan yang ada dalam Gambar 2e untuk M3D–M7D, masing-masing
Saat perangkat di-dop dengan satu atom N oleh posisi 1 (M1) atau 2 (M2), masing-masing, situasi yang berlawanan terjadi, dan kami memperhatikan bahwa semua arus meningkat dalam Gambar 4b dan c. Arus memperoleh nilai besar di bawah V ≤ 1,2 V, dan terjadi berkurang seiring bertambahnya bias untuk perangkat M1A–M1D dalam Gambar 4b. Perhatikan bahwa perilaku NDR yang jelas dapat diamati dengan penurunan arus yang terjadi antara 0,6 dan 1,6 V. Kurva I-V yang serupa menunjukkan bahwa efek NDR juga ditemukan untuk M2B dalam Gambar 4c. Maksimum rasio puncak-ke-lemah (PVR) dapat mencapai hingga 5,6. Namun, kurva lain menunjukkan fitur menarik yang berbeda yang berasal dari jalur transmisi tidak simetris dalam Gambar 3b, yang可能 menghasilkan efek fisik baru yang dibahas nanti.
Selanjutnya, untuk membandingkan pengaruh dopan, kami menampilkan kurva I-V M0, M1, dan M2 dengan rantai molekuler empat berulang dalam Gambar 4d, yang menunjukkan bahwa pengolahan N tunggal AγGYNR dapat secara efektif meningkatkan transport muatan yang mengarah pada arus yang kuat. Oleh karena itu, nilai garis merah (untuk M1D) dan garis biru (untuk M2D) lebih besar dari nilai garis hitam (untuk M0D). Dilihat dari Gambar 5b, puncak transport M1D meluas ke rentang energi − 0,26 eV ≤ E ≤ 0,8 eV, yang berkontribusi pada aliran elektron melalui daerah pencaran pusat. Ada puncak transport yang tajam di sekitar level Fermi untuk M2D (garis biru) yang sedikit lebih rendah dari yang pertama; sebagai akibatnya, kurva arus yang relatif lebih lemah muncul. Tentu saja, celah transport nol untuk M0D (lihat garis hitam dalam Gambar 5b) menghasilkan nilai arus hampir nol. Meskipun ada banyak puncak transport di E > 1,0 eV, mereka memiliki kontribusi kecil untuk properti transport perangkat berdasarkan AγGYNRs. Oleh karena itu, pengolahan N tunggal adalah metode efektif untuk mempromosikan pencaran dan lompat elektron pada nanojunksi yang kami desain.
Saat perangkat murni di-dop dengan dua atom N, hasil komputasi menunjukkan bahwa arus total bervariasi dengan posisi substitusi dopan untuk modifikasi kimia. Gambar 4e menunjukkan bahwa arus M4D dan M5D lebih besar dari tiga arus M3D, M6D, dan M7D. Garis biru untuk M5D menunjukkan peningkatan hampir linier sebagai fungsi tegangan bias dengan arus besar yang terjadi pada bias tinggi, sedangkan garis merah untuk M4D adalah kurva non-linier dengan arus yang lebih besar pada tegangan rendah, karena puncak transmisi merah dalam Gambar 5c terlokalisasi di sekitar level Fermi yang mudah dilakukan pada bias rendah, sedangkan puncak transmisi biru menjauh dari level energi nol yang memerlukan tegangan tinggi untuk membuka saluran transport. Jadi, arus M4D lebih besar dari arus M5D pada bias rendah [0, 1,2 V], tetapi mulai menjadi lebih kuat pada bias yang lebih tinggi.
Seperti yang dijelaskan sebelumnya, semua spektrum transmisi tiga junksi memiliki banyak puncak transmisi di dekat level Fermi (koefisien transmisi adalah nol di EF) dalam Gambar 5d, sehingga arus rendah dihasilkan. Khususnya, ada banyak puncak lebih tinggi dari garis kuning pada energi positif, yang mendukung bahwa efek NDR yang jelas muncul. Untuk mengamati secara dalam fenomena NDR untuk M6, kami menampilkan semua karakteristik I-V dari M6A hingga M6D, menemukan bahwa efek NDR mulai memperkuat seiring bertambahnya panjang rantai molekuler. PVR dapat meningkat dari 1,7 untuk M6A menjadi 5,4 untuk M6B, lalu PVR maksimum 24,5 dapat tercapai untuk M6D dari nilai 12,8 untuk M6C. Perhatikan bahwa panjang rantai molekuler dapat secara efisien memodulasi kejadian dan intensitas perilaku NDR.
Sementara itu, arus spin yang dihitung sebagai fungsi tegangan bias juga ditampilkan untuk M2D dan M6D dalam Gambar 6, untuk mengamati secara jelas fitur menarik perangkat spin. Dalam rentang tegangan bias total, kedua perangkat model menunjukkan perilaku I-V seperti pulsa tidak simetris yang terlihat dalam Gambar 6 a dan b, yang menghasilkan fenomena NDR yang sempurna. Arus spin-up untuk M2D menunjukkan efek NDR dengan PVR 18,9 dalam Gambar 6a; namun, nilai PVR mencapai hingga 36,8 dalam kasus spin-up M6D antara 0,8 dan 1,6 V dalam Gambar 6b dan juga 24 untuk kasus spin-down dari 1,2 hingga 1,6 V. Khususnya, untuk model 2D dalam Gambar 6a, arus positif lebih kuat dari arus negatif di kedua arah spin, yang menunjukkan bahwa efek pemutar dapat ditemukan dalam perangkat ini. Rasio pemutar (RR) dapat didefinisikan [70] sebagai rumus: RR(%) = I(V)/│I( − V)│ × 100% untuk arus spin-up (spin-down). Untuk perbedaan rasio pemutar antara kasus spin-up dan spin-down, RR arus spin-up dan spin-down adalah 480% dan 440% pada ± 0,6 V, masing-masing. Jadi, dari sudut pandang aplikasi praktis, pengolahan N tidak hanya dapat mempengaruhi struktur pita [71, 72], tetapi juga memodulasi perilaku perangkat. Mekanisme fisikokimia intrinsik dapat digunakan untuk menjelaskan efek ini.
(Warna online) Kurva I-V bergantung spin AγGYNRs dengan a pengolahan N tunggal dan b pengolahan N ganda, yang modelnya ditampilkan sebagai M2D dan M6D dalam Gambar 1. Semua model hanya mempertimbangkan struktur yang mempertimbangkan rantai molekuler dengan empat unit molekuler berulang sebagai D
Untuk menganalisis mekanisme yang sesuai dari fenomena pemutar di atas, struktur pita bergantung spin pada bias ± 0,6 V dan spektrum transmisi junksi molekuler untuk M2D telah ditampilkan dalam Gambar 7. Dengan memperkenalkan pengolahan N tunggal ke dalam junksi molekuler murni, seseorang dapat menemukan bahwa pita elektron spin-up perangkat di elektroda kiri bergeser sepanjang level energi negatif, sedangkan untuk elektroda kanan, pita cenderung bergerak ke arah positif dalam Gambar 7a. Oleh karena itu, kami dapat menemukan bahwa sub-pita elektroda kiri coupling dengan sub-pita elektroda kanan di E ≈ 0,25 eV dan puncak transmisi bergerak ke dalam jendela bias, yang mengakibatkan saluran transport terbuka pada 0,6 V yang berkontribusi pada transport muatan. Saat tegangan − 0,6 V diterapkan untuk perangkat nano dalam Gambar 7b, pita energi elektroda kiri dan kanan bergerak ke arah yang berlawanan. Meskipun sub-pita elektroda kiri dan kanan masih cocok satu sama lain, ada probabilitas transmisi hampir nol di dalam jendela bias, yang adalah alasan arus rendah pada Vb = − 0,6 V. Oleh karena itu, perilaku pemutar dapat diperoleh di sini. Secara umum, fenomena pemutar sering terjadi dalam struktur molekuler tidak simetris [20], jadi tidak simetrisnya perangkat molekuler adalah alasan utama terjadinya perilaku ini.
(Warna online) Struktur pita spin-up elektroda kiri/kanan dan spektrum transmisi spin-up AγGYNRs dengan pengolahan N tunggal di posisi berseberangan untuk M2D pada bias a 0,6 dan b − 0,6 V. Daerah di antara dua garis putus hijau horizontal adalah jendela bias yang sesuai
Ada banyak efek NDR yang telah diamati dalam model yang kami usulkan; untuk lebih baik menginterpretasikan dasar NDR, kami menggambar diagram terkait dalam Gambar 8. Misalnya, seperti yang diharapkan sebelumnya, NDR yang dihasilkan dari 0,8 hingga 1,6 V dalam arah spin-up dengan PVR tinggi 36,8 untuk M6D dipilih sebagai contoh di sini. Pada bias 0,8 V, sub-pita kiri dapat cocok kuat dengan sub-pita kanan, orbital molekuler tidak terisi terendah (LUMO) berperan penting dalam Gambar 8a, yang mengakibatkan saluran pencaran dapat diizinkan untuk lompat elektron spin-up. Ada garis putus hijau dengan panah dalam Gambar 8a, yang menggambarkan bahwa saluran transmisi terbuka untuk transport elektron pada 0,8 V. Orbital molekuler terisi tertinggi (HOMO) yang berperan sekunder juga berkontribusi pada transport elektron pada 0,8 V. Saat bias meningkat hingga 1,6 V, seperti yang ditampilkan dalam Gambar 8b, energi untuk jendela bias juga diperluas ke ± 0,8 eV. Terjadi puncak transmisi yang lebih rendah yang muncul di jendela bias yang sesuai, tetapi coupling yang lemah antara sub-pita kedua elektroda dapat ditemukan di area energi tersebut, yang mengakibatkan puncak transmisi yang sangat lemah di daerah pencaran dari elektroda kiri ke kanan. Oleh karena itu, NDR timbul dalam arus spin-up termasuk PVR tinggi untuk M6D dengan posisi substitusi N ganda. Ini bisa menjadi calon yang luar biasa untuk saklar spin dari perangkat elektronik nano berbasis AγGYNR di masa depan. Oleh karena itu, generasi dan fitur transport arus spin-polaris masih merupakan isu vital untuk perangkat spintronic [73].
(Warna online) Struktur pita spin-up elektroda kiri/kanan dan spektrum transmisi spin-up AγGYNRs dengan pengolahan N ganda untuk M6D pada bias a 0,8 V dan b 1,6 V. Daerah di antara dua garis putus hijau horizontal adalah jendela bias yang sesuai. Untuk kejelasan, maksimum spektrum transmisi di b diatur ke 0,1
Kesimpulan
Secara ringkasan, perhitungan ab initio komprehensif berdasarkan teori fungsi densitas digabungkan dengan formalisme fungsi Green non-ekilibri pada lembar dan nanoribbon γ-grafin tepi kursi 2D dengan penambahan atom nitrogen memiliki banyak karakteristik elektronik dan transport yang jelas berbeda dari grafin yang terkenal dan grafin tipikal. Dengan mengeksplorasi dampak defek pengolahan N tunggal atau ganda AγGYNRs, hasil kami mengonfirmasi bahwa struktur pita sel unit super sangat tergantung pada posisi dopan di cincin C6 pusat nanoribbon. Kami dapat mendapatkan beberapa nanoribbon semiikon dengan celah energi sempit atau konduktor AγGYNRs. Terkait properti transport, panjang rantai molekuler yang berbeda menginduksi perilaku resistensi negatif yang menarik yang telah diharapkan untuk junksi elektronik nano. Secara khusus, cincin heksagonal di tengah nanoribbon memainkan peran vital dalam properti transport. Semakin panjang rantai molekul, semakin jelas efek NDR yang dapat diamati di junksi termasuk posisi substitusi N. Untuk pengolahan N yang penting untuk junksi M2D dan M6D, arus spin-polaris dengan maksimum rasio pemutar dan rasio puncak-ke-lemah 480% dan 36,8 dalam arah spin-up telah ditemukan, masing-masing. Kami mengusulkan mekanisme fisik yang jelas yang sangat menunjukkan bahwa junksi molekuler AγGYNRs memberikan potensi aplikasi untuk perangkat elektronik nano di masa depan.
Ketersediaan Data dan Bahan
Desain nanojunksi dan perhitungan komputasi dilakukan dengan ATK.
