納米團(tuán)簇應(yīng)變下電子輸運(yùn)研究

01引言

幾十年來，納米團(tuán)簇備受研究者的關(guān)注。人們對(duì)納米團(tuán)簇的興趣主要源于其在化學(xué)和物理性質(zhì)上與宏觀水平明顯不同的特點(diǎn)。作為金屬團(tuán)簇的典型代表，金團(tuán)簇在電子學(xué)、光學(xué)、催化甚至生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要價(jià)值。多年來，人們對(duì)金團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、催化活性和熔化行為進(jìn)行了廣泛研究，得到了許多有意義的結(jié)果。其中，小型金團(tuán)簇的幾何結(jié)構(gòu)特別引起了科學(xué)家們的關(guān)注，因?yàn)檠芯勘砻鳎饒F(tuán)簇偏愛二維平面或相對(duì)平坦的結(jié)構(gòu)，即使在團(tuán)簇尺寸達(dá)到11-13個(gè)原子時(shí)仍然如此。只有少數(shù)最低能量結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)三維特征。

自2004年發(fā)現(xiàn)單層石墨烯以來，二維系統(tǒng)的重要性逐漸被認(rèn)識(shí)到，并因其豐富而獨(dú)特的物理性質(zhì)在廣泛領(lǐng)域的潛在實(shí)際應(yīng)用中引起了廣泛的研究。自那時(shí)以來，發(fā)現(xiàn)和研究了許多新的二維材料，如石墨炔、磷烯、硅烯、六方氮化硼（h-BN）、過渡金屬硫化物、二維過渡金屬碳化物和氮化物、金屬有機(jī)框架等。研究了這些二維系統(tǒng)的力學(xué)、熱力學(xué)、電子、光學(xué)和磁性等性質(zhì)。特別是對(duì)于二維系統(tǒng)的電子輸運(yùn)性質(zhì)的探索引起了許多研究人員的重視，因?yàn)檫@些信息可以為我們提供從二維材料中找到和改進(jìn)新的更好候選材料的機(jī)會(huì)，以用于微電子工業(yè)實(shí)際應(yīng)用。

然而，盡管金元素是現(xiàn)代電子工業(yè)中最重要的材料之一，但目前對(duì)金團(tuán)簇平面結(jié)構(gòu)的電子輸運(yùn)研究非常有限。了解這些金團(tuán)簇的平面結(jié)構(gòu)機(jī)制對(duì)我們來說應(yīng)該是一個(gè)誘人的課題。基于此，本課題擬對(duì)具有二維結(jié)構(gòu)的金納米團(tuán)簇的輸運(yùn)性質(zhì)展開研究。

02成果簡(jiǎn)介

課題立項(xiàng)以來，按照課題設(shè)立的方向搜集了與課題相關(guān)的最新的納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)以及輸運(yùn)方面的研究文獻(xiàn)，通過查閱文獻(xiàn)，確定了8和9原子金團(tuán)簇的二維平面結(jié)構(gòu)，再根據(jù)三明治模型要求，選擇合適的電極，由左右電極和金原子團(tuán)簇構(gòu)成了不同的電子輸運(yùn)系統(tǒng)，某些典型系統(tǒng)如fig.1所示，利用鴻之微Nanodcal軟件的弛豫功能將電極不同距離下的團(tuán)簇進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過計(jì)算系統(tǒng)的總能量，確定了電極距離與系統(tǒng)總能量的關(guān)系圖像。而后，通過使用量子輸運(yùn)模擬，計(jì)算了不同電極距離下態(tài)密度、透射系數(shù)、I-V特性等，分析了其輸運(yùn)性質(zhì)和機(jī)制，得到如下結(jié)果。

Fig.1The two-probe geometry of the Au8and Au9cluster connected with two atomic scale gold metallic electrodes

Fig.2Current–voltage curves of the Au8system for the distances from 12.33angstrom to 13.93angstrom

03圖文導(dǎo)讀

( 1 ) 從新的角度對(duì)Au8系統(tǒng)負(fù)微分現(xiàn)象進(jìn)行了解釋

利用nanodcal輸運(yùn)計(jì)算功能，計(jì)算了Au8系統(tǒng)的I-V曲線，如fig.2所示。另外還計(jì)算了團(tuán)簇上各個(gè)原子所具有的電荷數(shù)目，如fig.3所示。

Fig.3The number of electrons of the atoms in Au8. The left column corresponds to the atoms labeled by A, B, C, D and E in fig.1, respectively. The right column corresponds to the rest atoms.

很明顯，在圖2中，電流隨電壓的變化可以分為三個(gè)階段。第一階段對(duì)應(yīng)的電壓范圍是從0V到0.6V，在這個(gè)范圍內(nèi)，隨著電壓增加，電流幾乎呈線性增長。電流與電壓的關(guān)系符合歐姆定律。在第二階段，隨著電壓的增加，電流減小，即出現(xiàn)了負(fù)差分電阻效應(yīng)（NDR）。當(dāng)電壓大于約0.9V時(shí)，電流隨著電壓的增加發(fā)生振蕩，這是第三階段。在這個(gè)階段，負(fù)差分電阻效應(yīng)會(huì)多次發(fā)生。

不同的距離導(dǎo)致不同的傳輸行為。與相同的電壓相對(duì)應(yīng)，圖2顯示，隨著引線距離的增加，電流變得越來越小。當(dāng)距離足夠大時(shí)，例如，當(dāng)距離為13.43或13.93埃時(shí)，在電壓小于0.9V的情況下，電流可以近似為零。然而，當(dāng)電壓大于0.9時(shí)，電流顯著增加。這是一個(gè)有趣的現(xiàn)象，并且在電子開關(guān)設(shè)備中具有很大的應(yīng)用潛力。

負(fù)差分電阻效應(yīng)（NDR）是一種有趣的現(xiàn)象，具有許多應(yīng)用，例如高速開關(guān)、存儲(chǔ)器和放大器。以前，這種重要的行為主要是通過在不同外部偏置下的非平衡傳輸來解釋的。在這里，通過計(jì)算中心散射區(qū)域原子的電子數(shù)來解釋這種效應(yīng)的一個(gè)新方面的解釋被提出。將Au8簇中的原子的電子數(shù)計(jì)算在0V到0.8V范圍內(nèi)，并顯示在圖3中。顯然，電子數(shù)隨著電壓的增加而變化。從0V到0.8V，不同原子的大部分電子數(shù)都保持其原始趨勢(shì)。然而，在0.6V處，靠近右電極的原子改變了其趨勢(shì)。其中，A、C和D原子從下降趨勢(shì)中在0.6V處出現(xiàn)上升。盡管B原子始終保持從0V到0.8V的上升趨勢(shì)，但在0.6V處增加得很快。電子數(shù)的增加意味著負(fù)電荷的增加。在計(jì)算中，右電極被設(shè)定為正電極。負(fù)電荷的增加意味著電流受阻。因此，形成了負(fù)差分電阻效應(yīng)。

（2）Au9的垂直取向的輸運(yùn)及電壓對(duì)輸運(yùn)行為的影響

在圖4中，以垂直取向連接到電極的Au9的雙探針系統(tǒng)的電流-電壓曲線（如圖1中間所示）作為變化距離的函數(shù)給出，電壓偏置范圍為0V到2V。從0V到0.6V，電流隨電壓增加而單調(diào)上升。從0.6V到0.8V，再次觀察到負(fù)差分電阻效應(yīng)。然后，大多數(shù)曲線在0.9V電壓以上單調(diào)上升。

通過分析圖4中的曲線，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象。當(dāng)偏置電壓小于0.9V時(shí)，右電極和左電極之間的較小距離對(duì)應(yīng)于相同電壓下較大的電流。這個(gè)結(jié)果符合通常的預(yù)期。畢竟，距離更近通常會(huì)導(dǎo)致耦合更強(qiáng)，有利于電流的增加。然而，當(dāng)偏置電壓等于或大于0.9V時(shí)，較大的距離對(duì)應(yīng)于相同電壓下較小的電流。這意味著僅通過外部電壓而不改變團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和取向，就可以改變系統(tǒng)的原始輸運(yùn)特性。這個(gè)事實(shí)意味著外部電壓改變了原子間的相互耦合，并且在一定范圍內(nèi)隨著原子間距的增加而增強(qiáng)。電壓和電極距離都可以影響傳輸系統(tǒng)中的電子態(tài)。如果電壓或者電極距離發(fā)生改變，整個(gè)量子傳輸系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，可能導(dǎo)致共振態(tài)、能級(jí)和傳輸特性與原始狀態(tài)不同的差異。這種現(xiàn)象可以被認(rèn)為是電壓和電極距離的綜合影響下的可能結(jié)果。

Fig.4 Current–voltage curves of the Au9system with thevertical orientationfor the distances from 8.816angstrom to 9.716angstrom. To clearly show the curves, a local enlarged portion of the curves is drawn in the inset.

（3）Au9的平行取向的輸運(yùn)特點(diǎn)：對(duì)導(dǎo)體-電極距離不敏感性

在圖5中，以平行取向連接到電極的Au9的電流-電壓曲線（如圖1下部所示）作為變化距離的函數(shù)給出，電壓偏置范圍為-2V到2V?？梢钥吹?，曲線可以分為兩種類型。從-0.6V到0.6V，-2V到-0.9V之間，曲線幾乎是直線，表示電流隨電壓線性變化。電流與電壓的關(guān)系符合歐姆定律。從-1V到-0.6V、0.6V到1V、1.7V到2V，曲線隨電壓增加而減小，表明發(fā)生了負(fù)差分電阻效應(yīng)。

圖5中的計(jì)算曲線明顯幾乎重疊在一起，表明這些曲線對(duì)于導(dǎo)體-電極距離不敏感。這意味著輸運(yùn)特性對(duì)于團(tuán)簇和電極之間的距離不敏感。從圖5中也可以看出，盡管導(dǎo)體-電極距離從8.816埃增加到9.716埃，負(fù)差分電阻效應(yīng)仍未消失，盡管曲線沒有重疊。這些事實(shí)表明，具有這些配置（如圖1中間和下部所示）的輸運(yùn)特性在距離變化時(shí)具有更好的穩(wěn)定性。這對(duì)于未來的技術(shù)應(yīng)用非常重要。畢竟，穩(wěn)定性是電子設(shè)備的重要要求之一。

眾所周知，金屬鍵沒有方向性。改變正離子之間的相對(duì)位置不會(huì)破壞電子與正離子之間的結(jié)合，所以金屬具有良好的延展性和可塑性。根據(jù)Giuseppe Zanti的工作，對(duì)于小的金團(tuán)簇，金原子之間的化學(xué)鍵具有方向性，金屬鍵可以忽略不計(jì)。然而，隨著團(tuán)簇大小的增加，金屬鍵的作用將變得越來越重要。當(dāng)團(tuán)簇與電極的取向適當(dāng)時(shí)，金原子之間的結(jié)合方向性將變?nèi)酢Ｒ苿?dòng)金原子的位置可能對(duì)團(tuán)簇的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較小的干擾。

Fig.5 The transport of Au9with theparallel orientationand the effect of the voltage on the transport behavior

04小結(jié)???

本工作，利用非平衡格林函數(shù)方法結(jié)合密度泛函理論，研究了八個(gè)和九個(gè)金原子之間的金團(tuán)簇在金電極之間的輸運(yùn)特性。在Au8和Au9中都發(fā)現(xiàn)了負(fù)差分電阻效應(yīng)。從一個(gè)新的角度，通過計(jì)算在不同偏置電壓下團(tuán)簇中原子的電子數(shù)，探究了負(fù)差分電阻效應(yīng)的機(jī)制。當(dāng)Au9垂直取向時(shí)，發(fā)現(xiàn)電壓可以改變夾層系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度。當(dāng)電壓較小時(shí)，電流隨著團(tuán)簇-電極距離的減小而增加。但當(dāng)電壓增加到一定值時(shí)，電流隨著團(tuán)簇-電極距離的減小而減小。當(dāng)Au9平行取向時(shí)，與其他電子輸運(yùn)系統(tǒng)不同，發(fā)現(xiàn)Au9的輸運(yùn)行為對(duì)團(tuán)簇-電極距離不敏感，表明該配置在距離變化時(shí)具有更好的輸運(yùn)穩(wěn)定性，這為未來電子器件的開發(fā)提供了一些新的線索。

審核編輯：劉清