N-치환 위치가 다른 그래핀 기반 나노접합의 스핀 분해 전자 및 전송 특성

결과 및 토론

실용적인 전자 밴드 구조 계산을 수행하기 위해 z를 따라 N-도핑된 주기적 슈퍼 단위 셀 리본 축의 방향이 고려됩니다. 대조 관찰의 편의를 위해 M₀에 대한 모든 단위 셀을 일러스트레이션 형태로 보여줍니다. -M₇ 그림 2a–h에서. 제안된 접합의 경우 N-개시 위치를 포함하는 중앙 육각형 링이 수송 특성에 중요한 영향을 미치는 것으로 간주됩니다. 따라서 중앙 C₆ N-도핑 링은 파란색 음영 영역이 있는 파란색 점선 프레임으로 둘러싸여 있으며, 여기에서 투영된 상태 밀도도 계산되어 그림 2a–h의 오른쪽 패널에 표시됩니다.

(온라인 색상) M_{의 슈퍼 단위 셀에 대한 전자 밴드 구조(왼쪽 패널) 및 스핀 밀도 분포(양 및 음의 전자를 나타내는 빨간색 및 파란색 구름이 있는 각 그림의 오른쪽 패널 삽입) 0} -M₇ a에 해당 –h . 페르미 에너지 준위의 위치를 ​​나타내기 위해 수평 파란색 파선도 그려집니다. a 오른쪽 패널의 예상 밀도(PDOS) –h 는 각각 파란색 음영 프레임 내부의 육각형 고리의 모든 원자에 대한 상태 밀도입니다. 여기에서 빨간색과 녹색 선은 M₂의 스핀업(UP) 및 스핀다운(DN) 구성 요소를 나타냅니다. 및 M₆ c에서 및 g

첫째, 우리는 AγGYNR의 구조적 및 전자적 특성을 조사합니다. 그림 2a와 같이 M₀에 대한 깨끗한 슈퍼 셀의 전자 밴드 AγGYNR이 1.16 eV의 직접 에너지 갭을 갖는 반도체임을 표시합니다. 가장 낮은 전도 대역과 가장 높은 원자가 대역은 각각 π* 및 π 하위 대역에서 시작됩니다[37, 69]. 그러나 M₁의 경우 및 M₂ 그림 2b 및 c에서 단일 N-개시 위치를 사용하면 명백한 불순물 밴드가 페르미 준위를 가로질러 뻗어 있어 제로 에너지 갭을 생성합니다. 흥미롭게도 M₂의 전자 밴드 구조는 스핀 분할입니다. 단일 N-도핑을 포함하면 Brillouin 영역 경계에서 에너지 갭이 좁아집니다. 결과적으로 M₁의 밴드 구조는 및 M₂ 행동 금속 속성. M₃에 대해 이중 N-doping으로 시스템의 단위 셀을 도핑하는 경우 -M₇ 무화과에서. 2d-h, 밴드 구조의 몇 가지 새로운 특성이 발견되었습니다. M₃의 에너지 격차 , M₄ 및 M₇ 이중 N 도핑 후에도 여전히 반도체임을 이미지하는 깨끗한 구조의 도펀트 사용으로 인해 0.06, 0.04 및 0.44 eV로 좁혀졌습니다. 그러나 M₅의 밴드 구조를 찾을 수 있습니다. 및 M₆ 그림 2f 및 g에서 제로 밴드 갭으로 금속성을 수행하므로 전송 거동에 중요합니다. 유사하게, 전자 밴드 구조의 스핀 분할은 M₆의 이중 도핑 구조에서 발생합니다. 그림 2g에서. 금속성의 출현은 중앙 C₆의 전형적인 N-개시 위치에 따라 달라집니다. AγGYNR의 고리. 나중에 보듯이 C₆의 중앙 부분은 링은 실제로 현재 작업에서 보고된 AγGYNR의 전도 특성에 영향을 미칩니다.

N 배치 위치의 영향을 자세히 설명하기 위해 AγGYNR의 스핀 밀도 분포에서 N 원자에 대한 스핀 종속 전자를 식별할 수 있습니다(그림 2a–h의 각 삽입 참조). 그림 2c 및 g에서 볼 수 있듯이 단일 또는 이중 N 원자의 도입으로 인해 전자의 스핀 의존적 산란이 분명히 증가합니다. 결과적으로 AγGYNR의 자기는 그림 2a의 깨끗한 것과 비교하여 향상됩니다. 한편, 상대적으로 풍부한 전자의 호핑 및 산란은 그림 2d 및 f에서도 찾을 수 있습니다. 이 네 가지 스핀 밀도 사진의 경우 스핀 의존 전자의 분포가 모든 단위 셀에 퍼져 있어 결과적으로 전하 수송에 기여합니다. 그럼에도 불구하고, 전자 밀도의 분포는 그림 2b와 e의 경우 삽입물의 중앙 부분에 부분적으로 국한된 반면, 그림 2h의 경우 삽입물의 중앙 및 하단 부분에 국한됩니다. 따라서 슈퍼 셀의 중앙 육각형 고리에 있는 도펀트는 전자 대역에서 주요 영향을 미칩니다. 우리의 관찰은 C₆ 영역으로 전송됩니다. 제안 구조에 링을 추가하십시오.

또한, 8개 모델은 그림 2a-h의 오른쪽 패널에 삽입으로 표시되었으며, 여기서 N-대체 위치가 있는 육각형 링은 각각 모델의 파란색 음영 파선 프레임으로 둘러싸여 있습니다. 육각형 링의 PDOS는 그림 2a-h의 오른쪽 패널에 표시됩니다. 결과는 M₀에 지정된 영역의 PDOS가 -M₇ 해당 전자 밴드 구조와 잘 일치할 수 있습니다. 특히, 페르미 준위에 가까운 π* 및 π 부분대역은 주로 6원환의 기여에서 비롯됩니다. M₀의 원래 모델의 경우 그림 2a에서 E 주변에는 PDOS의 피크가 없습니다. _F 넓은 에너지 갭을 초래하여 반도체 특성을 초래합니다. C₆의 일반적인 C 원자인 경우 고리는 M₁과 같은 단일 또는 이중 N 원자로 대체됩니다. -M₇ , PDOS의 이중 피크가 E에 근접하는 추세 _F 밴드갭 감소에 기여한다. 예를 들어, M₁에 대해 페르미 레벨(그림 2b 및 e 참조) 주변에 두 개의 높은 PDOS 피크가 있습니다. 및 M₄; 그들은 첫 번째 Brillouin 영역에서 밴드 갭을 좁히는 데 크게 기여합니다. 더 흥미롭게도 M₂에 대한 스핀업 및 스핀다운 에너지 밴드 및 M₆ (그림 2c 및 g 참조) 스핀-업(spin-down) PDOS가 더 낮은(더 높은) 에너지 상태로 아래(위)로 이동하는 결과로 분할됩니다. 그러나 M₃의 경우 , M₅ 및 M₇ 그림 2d, f 및 h의 오른쪽 패널에는 페르미 준위 근처에 두 개의 개별 PDOS 피크가 있으며, 이는 π* 및 π 하위 대역의 표시에 기여합니다. 따라서 중앙 C₆에서 N-도핑 M₀의 링 부분 -M₇ 이는 중요한 문제이며 8개의 원래 슈퍼 셀에서 설계한 AγGYNR의 전자 수송을 계속 연구하는 것은 흥미롭습니다.

AγGYNR의 전송 특성을 설명하기 위해 그림 3에 나노리본의 전송 확률을 표시하기 위해 N-도핑 AγGYNR의 전송 경로를 표시합니다. M_{0 및 M7 , 기기 M1 -M6 중심 산란 영역에서 D로 명명된 4개의 반복 단위 셀을 가진 분자 사슬을 포함하는 것으로 간주됩니다. M0의 경우 및 M7 , 전송 경로는 전송 채널 없이 끊어지고 전자의 도약과 산란은 왼쪽 전극에만 나타나므로 전송 경로의 분포는 여기에서 무시됩니다. 6개의 모든 장치는 그림 3a–f에서 완벽한 전송 채널을 표시하며, 전자가 왼쪽에서 오른쪽으로 흐를 수 있다는 이미지를 보여줍니다. 사실, 전자는 N-도핑의 포함으로 인해 중앙 산란 영역을 통과할 수 있습니다. M1에 대해 그림 3a 및 b에 표시된 대로 및 M2 , 전자 전이는 가장 가까운 이웃 원자 사이뿐만 아니라 다음으로 가장 가까운 이웃 원자 사이에서도 발생합니다. 마찬가지로 M3에 이중 N-도핑을 적용하면 -M6 그림 3c-f에서 다음으로 가장 가까운 이웃 원자에 더 풍부한 전자 전이가 발생합니다.}

(온라인 컬러) N-도핑 AγGYNR의 전송 경로 M₁ -M₆ 중앙 영역에 D로 명명된 4개의 주기적인 분자 사슬이 있습니다. a 보기에서 –f , 두 원자 사이를 연결하는 화살표의 색상은 그려진 색상 막대에 따라 전자 전달의 도약 방향을 나타내며 연속되는 다른 색상은 일련의 다른 각도에 해당합니다. 임계값은 0.05로 간주됩니다.

또한, 우리는 분자 사슬의 중심 산란 영역에 계속 초점을 맞추고 있으며, 그림 3에 표시된 모든 모델에 대해 N 원자 주위에서 다음으로 가장 가까운 전자 전이가 사용된다는 것을 발견했습니다. 따라서 N-도핑이 중요한 역할을 합니다. 더 흥미로운 점은 대부분의 전송 경로가 C₆에 국한된다는 것입니다. N-도핑된 C₆임을 나타내는 AγGYNR의 고리 링은 이러한 나노 접합에 대한 주요 기여를 추적합니다. M₁에 대한 그림 3의 왼쪽 열 , M₃ 및 M₅ , 전달 경로는 분자 사슬 동안 대칭 분포를 나타냅니다. 그러나 M₂의 경우 , M₄ 및 M₆ 오른쪽 열에서는 그림 3b, d 및 f에 표시된 대로 산란 영역의 네 번째 분자에서 더 약한 전자 전이 경향을 거동합니다. 따라서 4개의 반복되는 슈퍼 유닛보다 긴 분자 사슬은 이러한 일반적인 접합에서 수행하기에 적합하지 않습니다. 특히 M₅의 전자 전환 경로 그림 3에서 다른 것보다 더 많은 전송 채널 가능성을 배포합니다. 전자의 후방 산란은 M₅에 대한 이중 N-도핑 원자의 존재로 인해 분자 사슬의 상단 가장자리에서 강화되는 경향이 있습니다. 및 M₆ 그림 3e 및 f에서. 결과적으로, N-도펀트는 AγGYNR 접합의 전하 수송에 중요한 영향을 미칩니다. 또한, M₂에 대한 전송 경로의 비대칭 분포 및 M₆ 그림 3b 및 f에서 일부 진행 중인 신체적 행동을 표시할 수 있습니다. 이에 상응하는 논의가 지속적으로 전시될 것이 흥미롭다. 다음으로 더 흥미로운 현상을 찾기 위해 이러한 접합에 대한 전류 곡선을 보여주고자 합니다.

(온라인 색상) 전류-전압(I-V ) AγGYNR의 특성(a ) b와 같이 N-도핑이 없거나 단일 N-도핑이 있는 경우 M₁ 및 c M₂ A-D와 같은 4개의 다른 분자 사슬에 대해. I-V d에 대한 D로서 4개의 주기적인 분자 사슬을 갖는 AγGYNR의 곡선 M_0D -M_2D 또는 e M_3D -M_7D . 에 I-V M₆에 대한 A–D로서 4가지 다른 분자 사슬에 대한 AγGYNR 곡선

이러한 2-프로브 접합의 전송 속성을 더 이해하기 위해 I-V를 계산합니다. 그림 4에서 길이가 서로 다른 4개의 서로 다른 분자 사슬이 있는 AγGYNR 접합에 대한 곡선 존경받는. M₀의 깨끗한 기기 그림 4a에서 조사되었습니다. ~ 1.2 V의 임계값 전압이 있으며, 그 아래에서 컨덕턴스 갭은 바이어스 전압이 증가함에 따라 증가하며, 이는 왼쪽 및 오른쪽 리드에서 밴드 구조(그림 2a 참조)의 이동으로 인해 발생합니다. 따라서 M_0A와 같이 4개의 장치에 매우 약한 전류가 존재합니다. -M_0D 그림 4a의 삽입(명확성을 위해 I-V 다이어그램 곡선은 바이어스 범위 [0, 1.0 V]에서 확대되었습니다. 인가 전압이 1.2 V보다 크면 분자 사슬이 길수록 전류가 약해지는 것을 알 수 있는데, 이는 분자 사슬이 왼쪽에서 오른쪽 전극으로 전자의 도약을 방해할 수 있음을 의미합니다. 해당 설명은 그림 5a에 표시되어 있어 E 근처의 전송 피크에 집중할 수 있습니다. _F 전류가 전송 피크에 크게 기여하기 때문입니다[18, 20]. M_0A의 전송 스펙트럼 페르미 레벨 주변의 여러 봉우리를 추적합니다. 반대로 전송 피크는 M_0A에서 점점 낮아집니다. M_0D로 분자 연결의 길이가 증가함에 따라. 명확성을 위해 M_0C에 대한 증폭 피크를 보여주는 그림 5a의 삽입 및 M_0D 전류의 감소를 설명합니다. 실제로, 깨끗한 AγGYNR은 스핀(전자) 접합을 구성하는 완벽한 전극이 아닙니다. 여기서 N-제도적 입장의 문제를 고려할 필요가 있다.

(온라인 색상) 제로 바이어스 a에서 AγGYNR의 계산된 투과 스펙트럼 또는 b 없이 –d 수평 분자 나노와이어에서 다양한 N-도핑 모델을 사용하여 해당 반복 단위 셀이 그림 1에 표시됩니다. a M₀에 대한 비도핑 AγGYNR의 투과 스펙트럼 A-D에 대해 서로 다른 분자 길이를 갖는 4개의 분자 사슬 포함; 그림에서 실선의 색상은 그림 2a의 색상과 일치합니다. 삽입된 부분은 투과 스펙트럼이 0.1 미만인 기본 보기의 부분 확대 보기입니다. 마찬가지로 b의 실선은 M_0D에 대한 그림 2d의 공통 색상을 가진 선과 일치합니다. -M_2D , 및 c의 실선 /d M_3D의 경우 그림 2e의 항목에 해당합니다. -M_7D , 각각

장치가 위치 1에 의해 단일 N 원자로 도핑되는 경우(M₁ ) 또는 2(M₂ ), 각각 반대 상황이 발생하고 모든 전류가 그림 4b 및 c에서 강화되었음을 알 수 있습니다. 전류는 V에서 큰 값을 얻습니다. ≤ 1.2 V이며, 이는 장치 M_1A에 대한 바이어스가 증가함에 따라 감소합니다. -M_1D 그림 4b에서. 명백한 NDR 동작은 0.6과 1.6 V 사이에서 발생하는 전류의 딥핑으로 관찰될 수 있습니다. 유사한 I-V NDR 효과가 M_2B에도 있음을 나타내는 곡선이 표시됨 그림 4c에서. 피크 대 밸리 비율(PVR)의 최대값은 5.6까지 도달할 수 있습니다. 그러나 다른 곡선은 그림 3b의 비대칭 수송 경로에서 비롯된 다른 흥미로운 특징을 나타내므로 나중에 논의할 새로운 물리적 효과를 초래할 수 있습니다.

또한 도펀트의 영향을 비교하기 위해 I-V M₀의 곡선 , M₁ 및 M₂ 그림 4d에서 4개의 반복된 분자 사슬로 AγGYNR의 단일 N-도핑이 전하 수송을 효과적으로 향상시켜 강한 전류를 유도할 수 있음을 나타냅니다. 따라서 빨간색 선의 값(M_1D의 경우 ) 및 파란색 선(M_2D의 경우) )이 검은색 선보다 큽니다(M_0D의 경우). ). 그림 5b에서 볼 수 있듯이 M_1D의 전송 피크 − 0.26 eV ≤ E의 에너지 범위로 확장 ≤ 0.8 eV, 중앙 산란 영역을 통해 흐르는 전자에 기여합니다. M_2D에 대한 페르미 레벨 주변에 급격한 전송 피크가 있습니다. (파란색 선) 이전 것보다 약간 낮습니다. 결과적으로 상대적으로 약한 전류 곡선이 나타납니다. 확실히 M_0D의 경우 전송 간격이 0입니다. (그림 5b의 검은색 선 참조) 전류 값이 거의 0이 됩니다. E에는 많은 수송 피크가 있지만> 1.0 eV인 경우 AγGYNR을 기반으로 하는 장치의 전송 속성에 약간의 기여를 합니다. 따라서 단일 N-도핑은 설계된 나노접합에서 전자의 산란 및 도약을 촉진하는 효과적인 방법입니다.

원시 장치가 이중 N 원자로 도핑될 때 계산 결과는 총 전류가 화학적 변형을 위한 도펀트의 치환된 위치에 따라 변함을 시사합니다. 그림 4e는 M_4D의 전류가 및 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