Spinaufgelöste elektronische und Transporteigenschaften von Graphin-basierten Nanoübergängen mit unterschiedlichen N-Substitutionspositionen

Einführung

Mehrere zweidimensionale (2D) Kohlenstoffmaterialien wurden als potenzieller Kandidat für spintronische Bauelemente nachgewiesen [1,2,3,4,5]. In letzter Zeit wurden zu diesem Aspekt immer mehr experimentelle Studien an 2D-Kohlenstoffmaterialien durchgeführt [6,7,8,9,10,11]. Insbesondere wurden die Nanostrukturen aus Graphen [12,13,14,15] und Graphin [16,17,18,19] und die zugehörigen Vorrichtungen [20,21,22] theoretisch vorgeschlagen. Anschließend wurden die wertvollen Effekte des Gleichrichtens [12, 20], des Schaltens [13, 23], des negativen Differenzwiderstands (NDR) [23, 24, 25] und der Spinfilterung [26, 27, 28] in diesen beobachtet Geräte. Darüber hinaus gelten die Graphen- und Graphinmaterialien aufgrund ihrer hervorragenden elektronischen und Transporteigenschaften als Elektrodenmaterialien für spintronische molekulare Verbindungen.

Wie wir wissen, zeigen Forschungsarbeiten, dass die Graphen-Nanobänder im Experiment als molekulare Geräte zugeschnitten und in viele Strukturen geschnitten werden können [29, 30]. In ähnlicher Weise bestehen die Graphinstrukturen [17,18,19, 31, 32] aus Kohlenstoffatomen, die besser einstellbare elektronische und Transporteigenschaften aufweisen als Graphen. Kürzlich wurde gezeigt, dass sich Graphdiinfilme auf der Kupferoberfläche bilden, indem eine Methode der Kreuzkupplungsreaktion verwendet wird [8]. Ein rationaler Ansatz zur Synthese von Graphdiin-Nanowänden unter Verwendung einer modifizierten Glaser-Hay-Kupplungsreaktion wurde von Zhou et al. [9]. Aber auch eine zusammenhängende experimentelle Beobachtung bleibt noch lange eine echte Herausforderung. Im Laufe der Zeit ist auch das Graphin-Nanoband bestrebt, in einem Experiment mit der Kreuzkopplungsreaktionsmethode, der Bestrahlung mit energiereichen Elektronen in einem Transmissionselektronenmikroskop, zu Verbindungen hergestellt zu werden [8, 29, 30]. Aufgrund der hohen Ladungsträgermobilität und der fortwährenden elektronischen Eigenschaften [4, 33] sind die Graphinstrukturen einschließlich α- [34, 35], β- [36], γ- [37], 6,6,12- [27], α-2- [38], δ- [39], 14,14,14-Graphyne [40] und relative Heterojunctions [41, 42] finden in der Theorie immer mehr Beachtung. Allerdings mangelt es an Untersuchungen zum Transportverhalten mehrerer längenkontrollierter Molekülketten, die aus sich wiederholenden Moleküleinheiten zwischen zwei semi-infiniten γ-Graphen-Nanoelektroden bestehen.

Das γ-Graphyne-Nanoband (γGYNR) [43], das in Sessel- und Zickzack-Kanten eingeteilt werden kann, zeigt das halbleitende Verhalten mit Bandlücke unabhängig von Kanten [18]. Darüber hinaus wird der Sessel γGYNR (AγGYNR) weniger zum Aufbau einer spintronischen und molekularen Verbindung verwendet als der Zickzack-Übergang [44,45,46], da er eine größere Bandlücke aufweist als das Zickzack-Nanoband [18]. Es wurde jedoch berichtet, dass die N-Dotierung die elektronischen und Transporteigenschaften von Graphen und Graphin verändert [47,48,49,50,51], was zu einer Verengung der Bandlücke führen kann. In einem Experiment wurde die N-Dotierung im Graphenblatt implementiert [52, 53]. Es wurde jedoch vorhergesagt, dass γGYNR Halbleiter mit kleinen effektiven Ladungsmassen und hoher Ladungsträgermobilität wie Graphen sind [4]. Frühere theoretische Untersuchungen zu Dotierstoffen haben auch faszinierende elektronische oder Transporteigenschaften von GYNR gezeigt [49, 50, 54, 55]. Kürzlich wurde auch über frühere experimentelle Untersuchungen zu Graphdiin-NRs [8, 9] und Geräten ohne oder mit N-Dotierung [56, 57] berichtet. Außerdem bieten die acetylenischen Verknüpfungen zwischen zwei Kohlenstoff-Hexagonen für γGYNR viele natürliche Löcher, um die Dotierung verschiedener Kandidaten als n . zu realisieren -Doping oder p -Dotierung von Halbleitern. Daher ist es wichtig, einfache oder doppelte N-Dotierung in unseren hier vorgeschlagenen Kontaktstellen von AγGYNRs zu berücksichtigen.

Motiviert, die Spinelektronen- und -transporteigenschaften mehrerer längenverstellbarer Molekülketten, die zwischen zwei semi-infiniten AγGYNRs mit unterschiedlichen N-substituierenden Positionen eingebettet sind, gründlich zu verstehen, haben wir die Berechnungsarbeit durch die Verwendung von First-Principles-Rechnungen in Kombination mit einem Landauer-Büttiker . abgeschlossen Ansatz in diesem Beitrag. Die Ergebnisse der theoretischen Simulation legen nahe, dass die N-Dotierung die Energielücke von 3-AγGYNR-Übergängen effizient reduzieren kann, dann die einzelne N-Dotierung von M₂ und doppelte N-Dotierung von M₆ kann die Spinaufspaltung des Energiebandes induzieren. Der Transportstrom des 3-AγGYNR-Übergangs ohne N-Dotierung wird geschwächt, wenn die Anzahl der Wiederholungseinheiten in der Streuregion zunimmt; im Gegensatz dazu werden die Ströme bei 3-AγGYNR-Übergängen mit einfachen oder doppelten N-substituierenden Positionen durch eine längere Molekülkette verstärkt. Interessanterweise werden die Gleichrichtung und offensichtliche NDR-Effekte in den N-Dotierungsübergängen von M₂ . beobachtet und M₆ . Solche Verhaltensweisen entstehen aus der unterschiedlichen Kopplung zwischen zwei Elektroden und dem Streubereich. Um den Mechanismus des NDR-Verhaltens auf mikroskopischer Ebene zu erklären, wurde der Grund aufgezeigt, dass die längere Molekülkette, die in den asymmetrisch N-dotierten Übergängen enthalten ist, eine deutlichere pulsartige Strom-Spannungs-Abhängigkeit aufgrund der Existenz eines geöffneten Transports induzieren kann Kanal innerhalb des entsprechenden Bias-Fensters unter höherem Bias. Darüber hinaus hat der sechseckige Ring mit N-ersetzenden Positionen einen entscheidenden Einfluss auf den Transportprozess.

Die Arbeit gliedert sich wie folgt:Im Abschnitt „Modellierungs- und Berechnungsmethoden“ werden die Beschreibung und Methode der Kreuzung vorgeschlagen. Als nächstes beschreiben wir die Ergebnisse und Diskussionen über ihre internen Mechanismen im Abschnitt „Ergebnisse und Diskussionen“, und die Berechnungsergebnisse sind im Abschnitt „Schlussfolgerungen“ zusammengefasst.

Modellierungs- und Berechnungsmethoden

Die molekularen Drähte, die aus 1 bis 4 wiederholten molekularen Einheiten bestehen, die aus einem Benzol und einem Acetenyl ohne oder mit N-Dotierung bestehen, sind im mittleren Feld von Abb. 1 mit vier grün gestrichelten rechteckigen Kästchen dargestellt. Die Streuregion der Molekülkette mit N-substituierender Position ist zwischen zwei symmetrischen semi-infiniten AγGYNRs eingebettet, wobei 1-wiederholte Molekülkette (A), 2-wiederholter Moleküldraht (B), 3-wiederholte Molekülkette (C) und Es werden jeweils 4 wiederholte Molekülketten (D) aufgetragen. Aufgrund der symmetrischen Struktur einer π-σ-π-Architektur wählen wir hier die 3-AγGYNRs als Elektrode. Die linke Leitung, der Streubereich und die rechte Leitung sind in unseren entworfenen Nanoübergängen enthalten, und alle Kohlenstoffatome am Rand der Vorrichtungen werden von den Wasserstoffatomen gesättigt, um die Stabilität der Strukturen zu verbessern [18, 43, 45, 46]. Für unsere vorgeschlagenen Geräte sind die Molekülketten praktisch, um durch eine mechanische Methode oder eine chemische Reaktion von ganzen γGYNRs im Experiment wie die anderen Strukturen direkt in Verbindungen nachgezogen oder geformt zu werden [29, 30, 56]. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird die Hauptansicht im oberen Bereich von Fig. 1 von der Supereinheitszelle mit einer einzelnen N-ersetzenden Position in der zentralen Position verwendet, die als M₁ . bezeichnet wird im zweiten Bild der unteren Tafel in Abb. 1. Der Einfachheit halber die atomaren Ersatzpositionen von C₆ Ring sind mit 1, 2, 3, 4 und 5 nummeriert, wie unter den entsprechenden Atomen des roten Rahmens gezeigt. In ähnlicher Weise wird das makellose Gerät ohne N-Dotierung als M₀ . bezeichnet , wobei die Modelle mit zwei typischen einzelnen N-ersetzenden Positionen (die die Atompositionen von 1 oder 2 ersetzen) M₁ . sind und M₂ , und diejenigen mit fünf-typischer doppelter N-Dotierung an verschiedenen Substitutionspositionen (die die Atompositionen von 1/5, 2/3, 2/4, 1/4 und 1/2 ersetzen) werden als M _{. bezeichnet 3} –M₇ , bzw. Der rot schattierte Teil, der in der Hauptansicht von Fig. 1 von einem gestrichelten rechteckigen Kästchen umgeben ist, ist die periodische Superzelle des Nanobandes, die durch die acht Modelle ersetzt wird. Daher gibt es 32 typische Modelle, die insgesamt erforscht wurden. Zum Beispiel die Kreuzung von M₁ mit der einzelnen N-einleitenden Position von 1 einschließlich einer Molekülkette aus vier sich wiederholenden Moleküleinheiten, da D für M_1D . aufgerufen werden sollte .

(Farbe online) Schematische Ansichten der Zwei-Sonden-Systeme. Der Übersichtlichkeit halber ist das Gerät mit einfacher N-Dotierung (die zweite Superzelle im unteren Bereich als M₁ ) von AγGYNR wird als Hauptdiagramm im oberen Feld gewählt. Die blau schattierten rechteckigen Bereiche zeigen die linke und rechte Leitung an, zwischen denen sich der zentrale Streubereich befindet. Die grauen, weißen und blauen festen Kugeln repräsentieren die Kohlenstoff-, Wasserstoff- bzw. Stickstoffatome. Die Transportrichtung ist entlang der z Achse. Darüber hinaus kann die grün schattierte Moleküleinheit im Hauptdiagramm periodisch repliziert werden, was zu den vier Strukturen mit unterschiedlich langen Molekülketten führt, einschließlich Benzol- und Acetenylmolekülen im mittleren Feld, die als A–D bezeichnet wurden. Darüber hinaus bezeichnet der rot schattierte Rahmen die periodische Superelementarzelle des Nanobandes, die durch diejenigen von M₀ . geändert werden kann –M₇ ohne oder mit einfachen/doppelten N-Ersatzpositionen in der Bodenplatte. Der Einfachheit halber sind die Atompositionen von C₆ Ringe sind mit 1, 2, 3, 4 und 5 nummeriert, die jeweils unter den entsprechenden Atomen des roten Rahmens angezeigt werden

Wir optimieren zunächst alle Strukturen von Elementarzellen und molekularen Verbindungen, indem wir die Dichtefunktionaltheorie-Berechnung im Atomistix ToolKit (ATK)-Paket implementieren [46,47,48, 58] Entsprechend den Optimierungsergebnissen wird der Bindungsabstand von Stickstoff und Kohlenstoffatome nähert sich 1.43 Å, was geeignet ist, das Kohlenstoffatom mit einer ähnlichen Bindungslänge von 1.43~1.46 Å einer C-C-Bindung in γGYNRs zu ersetzen [31, 59]. Außerdem ist die CC-Bindung des Systems zwischen den nächsten Nachbarbenzolen nach der Optimierung immer noch stabil. Wir wählen die Strukturen als unsere Modelle mit niedrigeren Gesamtenergien. Der Energieunterschied zwischen Superelementarzellen mit einfacher N-Dotierung beträgt 0,57 eV, und die mit doppelter N-Dotierung steigt auf bis zu 1,63   eV an, was experimentell einfacher zu realisieren ist. Somit können diese molekularen Verbindungen als neue Bauelemente mit N-Dotierung verwendet werden. Die detaillierten Berechnungsparameter wurden wie folgt implementiert. Wir verwenden normerhaltende Pseudopotentiale und die spingeneralisierte Gradientennäherung mit Perdew-, Burke- und Ernzerhof-Funktional für das Austauschkorrelationspotential [60,61,62]. Die Berechnungsgeometrien werden optimiert, bis alle Restkräfte an jedem Atom kleiner als 0,02 eV Å ⁻¹ . sind . Um die Berechnungen der elektronischen Struktur durchzuführen, wird ein k-Punkt-Gitter von 1 × 1 × 15 Monkhorst-Pack in der Brillouin-Zone verwendet. Das Monkhorst-Pack-Netz der reziproken Raumabtastung für die spinabhängige Transportberechnung ist 1, 1 und 100 im x , y , und z Richtungen, und die Grenzenergie wird auf 150 Ry angenommen. Das Doppel-ζ polarisierte Basis wird auf alle Elemente einschließlich C, H und N gesetzt. Außerdem wird das Konvergenzkriterium für die Gesamtenergie auf 10 ^–5 . gesetzt eV. Da die Transportrichtung auf z eingestellt ist, Achse wird ein Zwischenschicht-Vakuumabstand von ~ 25 Å verwendet, um Wechselwirkungen zwischen den periodischen Bildern zu vermeiden [63, 64]. Das Transmissionsspektrum als Funktion der Energie (E ) und Vorspannung (V ) ist definiert als

wo G ^{R (A )} ist die retardierte (fortgeschrittene) Greensche Funktion des zentralen Streubereichs und Г_{L (R )} ist die Koppelmatrix der linken (rechten) Elektrode. Der Spintransportstrom wird mit der Landauer-Büttiker-Formel berechnet [65,66,67,68]

wo die μ _{L /R} = E _F ± eV /2 ist das elektrochemische Potential in Bezug auf die Fermi-Energie (E _F ) des beiden Leitungen gemeinsamen Materials unter einem externen V , und die Fermi-Dirac-Verteilungsfunktion ist \( {f}_{L/R}(E)=1/\left[1+{e}^{\left(E-{\mu}_{L/R }\right)/{\kappa}_BT}\right] \) in der linken/rechten Ableitung.

Ergebnisse und Diskussionen

Um die praktischen Berechnungen der elektronischen Bandstruktur durchzuführen, wurde die periodische Superelementarzelle mit N-Dotierung entlang der z Richtung der Bandachse wird berücksichtigt. Zur Vereinfachung der Kontrastbeobachtung zeigen wir alle Elementarzellen in Form von Illustrationen für M₀ –M₇ in Abb. 2a–h. Für unsere vorgeschlagenen Verbindungen wird angenommen, dass der zentrale hexagonale Ring, der die N-einleitende Position enthält, einen signifikanten Einfluss auf die Transporteigenschaften hat. Daher ist die zentrale C₆ Ringe mit N-Dotierung sind von einem blau gestrichelten Rahmen mit einem blau schattierten Bereich umgeben, in dem auch die projizierte Zustandsdichte berechnet und in den rechten Feldern der Abb. 2a–h dargestellt wurde.

(Farbe online) Die elektronische Bandstruktur (in den linken Feldern) und die Spindichteverteilung (die Einschübe in den rechten Feldern jedes Bildes mit roten und blauen Wolken, die positive und negative Elektronen anzeigen) für die Superelementarzellen von M ₀ –M₇ entsprechend dem a –h . Die horizontale blaue gestrichelte Linie wird auch gezeichnet, um die Position des Fermi-Energieniveaus anzuzeigen. Die projizierte Zustandsdichte (PDOS) in den rechten Feldern von a –h ist die Zustandsdichte in Bezug auf alle Atome der hexagonalen Ringe innerhalb des blau schattierten Rahmens. Hier stellen die roten und grünen Linien die Spin-Up- (UP) und Spin-Down-Komponenten (DN) für M₂ . dar und M₆ in c und g

Zunächst untersuchen wir die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von AγGYNRs. Wie in Abb. 2a gezeigt, ist das elektronische Band der unberührten Superzelle für M₀ zeigt, dass AγGYNR ein Halbleiter mit einer direkten Energielücke von 1,16 eV ist. Das unterste Leitungsband und das höchste Valenzband stammen aus dem π*- bzw. π-Subband [37, 69]. Aber für M₁ und M₂ mit einer einzigen N-einleitenden Position in Abb. 2b und c, erstreckt sich eine offensichtliche Verunreinigungsbande über das Fermi-Niveau, was zu einer Null-Energielücke führt. Interessanterweise ist die elektronische Bandstruktur von M₂ ist Spin-Splitting. Die Einbeziehung einer einzelnen N-Dotierung verengt die Energielücke an den Grenzen der Brillouin-Zone. Als Ergebnis sind die Bandstrukturen für M₁ und M₂ Metalleigenschaft verhalten. Wenn die Elementarzelle des Systems mit doppelter N-Dotierung für M₃ . dotiert ist –M₇ in Abb. 2d–h wurden einige neue Eigenschaften der Bandstrukturen entdeckt. Die Energielücken von M₃ , M₄ , und M₇ wurden aufgrund der Verwendung von Dotierstoffen in der unberührten Struktur auf 0,06, 0,04 und 0,44 eV eingeengt, was zeigt, dass sie nach doppelter N-Dotierung immer noch Halbleiter sind. Wir können jedoch feststellen, dass die Bandstrukturen von M₅ und M₆ führen Metallizität mit null Bandlücke in Abb. 2f und g durch, was dazu führt, dass sie für das Transportverhalten von Bedeutung ist. In ähnlicher Weise entsteht die Spinaufspaltung der elektronischen Bandstruktur in der doppelt dotierten Struktur von M₆ in Abb. 2g. Beachten Sie, dass das Auftreten von Metallizität von den typischen N-einleitenden Positionen im zentralen C₆ . abhängt Ring von AγGYNR. Wie später gezeigt, ist der zentrale Teil des C₆ Ring beeinflusst tatsächlich die Leitungseigenschaften von AγGYNRs, über die in unserer vorliegenden Arbeit berichtet wird.

Um den Einfluss der N-einleitenden Position eingehend zu veranschaulichen, können die spinabhängigen Elektronen auf N-Atomen anhand der Spindichteverteilung der AγGYNRs identifiziert werden (siehe jeden Einschub in Abb. 2a–h). Wie in Abb. 2c und g gezeigt, wird die spinabhängige Streuung von Elektronen offensichtlich durch die Einführung einzelner oder doppelter N-Atome erhöht; Als Ergebnis wird der Magnetismus der AγGYNRs im Vergleich zu dem unberührten in Abb. 2a verbessert. Das relativ reiche Hüpfen und Streuen von Elektronen findet sich auch in Abb. 2d und f. Für diese vier Bilder der Spindichten wurden die Verteilungen der spinabhängigen Elektronen auf alle Elementarzellen verteilt, was zur Folge hat, dass sie zum Ladungstransport beitragen. Trotzdem sind die Verteilungen der Elektronendichte für Abb. 2b und e teilweise im mittleren Teil der Einschübe lokalisiert, während sie für Abb. 2h im mittleren und unteren Teil des Einschubs lokalisiert sind. Somit spielt der Dotierstoff im zentralen hexagonalen Ring von Superzellen eine Hauptwirkung im elektronischen Band. Unsere Beobachtung wird auf die Region von C₆ . übertragen klingeln Sie in unserer Angebotsstruktur.

Darüber hinaus wurden die acht Modelle als Einschübe im rechten Feld von Abb. 2a–h gezeigt, wobei die sechseckigen Ringe mit N-ersetzenden Positionen jeweils von den blau schattierten gestrichelten Rahmen im Modell eingeschlossen sind. Die PDOS der hexagonalen Ringe sind im rechten Feld der Abb. 2a–h aufgetragen. Die Ergebnisse legen nahe, dass die PDOS des bezeichneten Gebiets in M₀ –M₇ kann sich gut an die entsprechenden elektronischen Bandstrukturen anpassen; insbesondere stammen die π*- und π-Unterbanden nahe dem Fermi-Niveau hauptsächlich vom Beitrag des Sechsrings. Für das Originalmodell von M₀ in Abb. 2a gibt es keine Spitze der PDOS um das E _F Dies führt zu einer breiten Energielücke, die zu einer halbleitenden Eigenschaft führt. Wenn die typischen C-Atome im C₆ Ring werden durch einfache oder doppelte N-Atome ersetzt als M₁ –M₇ , die Doppelspitzen des PDOS-Trends nähern sich dem E _F zur Verringerung einer Bandlücke beitragen. Zum Beispiel gibt es zwei hohe PDOS-Peaks um das Fermi-Niveau (siehe Abb. 2b und e) für M₁ und M₄; sie tragen in hohem Maße dazu bei, die Bandlücke in der ersten Brillouin-Zone zu verkleinern. Interessanter sind die Spin-Up- und Spin-Down-Energiebänder für M₂ und M₆ (siehe Abb. 2c und g) spalten sich dadurch auf, dass sich die Spin-Up (Spin-Down) PDOS nach unten (Up) in einen niedrigeren (höheren) Energiezustand bewegen. Für M₃ . jedoch , M₅ , und M₇ in den rechten Feldern von Abb. 2d, f und h existieren auch zwei separate PDOS-Peaks in der Nähe des Fermi-Niveaus, was zum Auftreten von π*- und π-Subbändern beiträgt. Daher ist die N-Dotierung im zentralen C₆ Ringteil von M₀ –M₇ ist ein wichtiges Thema, und es ist interessant, den Elektronentransport von AγGYNRs weiter zu untersuchen, die aus den acht ursprünglichen Superzellen entwickelt wurden.

Um die Transporteigenschaften von AγGYNRs zu veranschaulichen, zeichnen wir die Übertragungswege von N-dotierenden AγGYNRs auf, um die Übertragungswahrscheinlichkeiten von Nanobändern in Abb. 3 darzustellen. Ohne die Bilder mit schrecklich kleinen Verteilungen der Übertragungswege für M_{0 und M7 , die Geräte M1 –M6 einschließlich der Molekülketten mit vier sich wiederholenden Elementarzellen, die als D in der zentralen Streuregion bezeichnet werden, werden berücksichtigt. Für M0 und M7 , sind die Übertragungswege ohne Transportkanal unterbrochen, und das Hüpfen und Streuen von Elektronen tritt nur in der linken Elektrode auf, sodass ihre Verteilung der Übertragungswege hier ignoriert wird. Alle sechs Geräte zeigen in Abb. 3a–f einen perfekten Transportkanal, der abbildet, dass die Elektronen von links nach rechts fließen können. Tatsächlich können die Elektronen durch den zentralen Streubereich gehen, der sich aus dem Einschluss der N-Dotierung ergibt. Wie in Abb. 3a und b für M1 . dargestellt und M2 , findet der elektronische Übergang nicht nur zwischen den nächsten Nachbaratomen statt, sondern auch zwischen den nächstnächsten Nachbaratomen. In ähnlicher Weise, wenn die doppelte N-Dotierung für M3 . angewendet wird –M6 in Abb. 3c–f findet ein reichhaltigerer elektronischer Übergang zu den nächstgelegenen Nachbaratomen statt.}

(Farbe online) Die Übertragungswege von N-dotierten AγGYNRs als M₁ –M₆ mit vier periodischen Molekülketten, die als D in der zentralen Region bezeichnet werden. In den Ansichten von a –f , die Farben der Verbindungspfeile zwischen zwei Atomen geben die Sprungrichtung der Elektronenübertragung gemäß dem gezeichneten Farbbalken an, und die aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Farben entsprechen einer Reihe unterschiedlicher Winkel. Der Schwellenwert wird als 0,05

Darüber hinaus konzentrieren wir uns weiterhin auf die zentrale Streuregion von Molekülketten und stellen fest, dass für alle in Abb. 3 gezeigten Modelle der nächstnächste elektronische Übergang um die N-Atome herum stattfindet. Die N-Dotierung spielt also eine wichtige Rolle auf dem elektronischen Übergang, der zur Erzeugung eines stärkeren Stroms in Abb. 4 beiträgt. Interessanter ist, dass die meisten Übertragungswege im C₆ . lokalisiert sind Ringe von AγGYNRs, was darauf hindeutet, dass N-dotiertes C₆ Ringe verfolgen einen Hauptbeitrag für diese Nanoverbindungen. In der linken Spalte von Abb. 3 für M₁ , M₃ , und M₅ , weisen die Übertragungswege eine symmetrische Verteilung innerhalb der Molekülketten auf. Aber für M₂ , M₄ , und M₆ in der rechten Spalte verhalten sie sich im vierten Molekül der Streuregion schwächere elektronische Übergangstrends, wie in Abb. 3b, d und f gezeigt. Somit ist eine längere Molekülkette über vier wiederholten Supereinheiten nicht geeignet, um in diesen typischen Verbindungen zu funktionieren. Insbesondere die Wege des elektronischen Übergangs für M₅ in Fig. 3e verteilen mehr Möglichkeiten von Transportkanälen als die anderen. Die Rückstreuung von Elektronen tendiert dazu, am oberen Rand der Molekülketten aufgrund der Existenz doppelter N-dotierter Atome für M₅ . verstärkt zu werden und M₆ in Abb. 3e und f. Folglich spielt der N-Dotierstoff den entscheidenden Einfluss beim Ladungstransport von AγGYNR-Übergängen aus. Außerdem sind die asymmetrischen Verteilungen der Übertragungswege für M₂ und M₆ in Abb. 3b und f ist möglich, einige fortlaufende physikalische Verhaltensweisen anzuzeigen. Die entsprechende Diskussion ist von Interesse, um kontinuierlich ausgestellt zu werden. Als nächstes wollen wir die Stromkurven für diese Kreuzungen zeigen, um interessantere Phänomene zu finden.

(Farbe online) Die Strom-Spannung (I-V ) Eigenschaften von AγGYNRs (a ) ohne N-Dotierung oder mit einfacher N-Dotierung wie in b gezeigt M₁ und c M₂ für die vier verschiedenen Molekülketten als A–D. Das I-V Kurve der AγGYNRs mit den vier periodischen Molekülketten als D für d M_0D –M_2D oder e M_3D –M_7D . f Das I-V Kurve der AγGYNRs für die vier verschiedenen Molekülketten als A–D für M₆

Um die Transporteigenschaften dieser Zwei-Sonden-Übergänge besser zu verstehen, berechnen wir die I-V Kurven für AγGYNR-Verbindungen mit vier unterschiedlichen Molekülketten unterschiedlicher Länge in Abb. 4. Da wir unsere Arbeit auf die erzeugten Strukturen von N-einleitenden Positionen konzentrierten, wurde der Einfluss auf die Länge der Molekülketten auf strukturabhängige Transporteigenschaften nicht explizit berücksichtigt. Das makellose Gerät für M₀ wurde in Abb. 4a untersucht. Es gibt eine Schwellenspannung von ~ 1,2 V, unterhalb derer die Leitungslücke mit zunehmender Vorspannung zunimmt, die aus der Verschiebung der Bandstrukturen (siehe Abb. 2a) in der linken und rechten Leitung resultiert. Daher gibt es für vier Geräte einen schrecklich schwachen Strom von M_0A –M_0D im Einschub von Abb. 4a (der Übersichtlichkeit halber das Diagramm der I-V Kurve wurde unter dem Vorspannungsbereich [0, 1,0 V] vergrößert). Wenn die angelegte Spannung größer als 1,2 V ist, können wir feststellen, dass der Strom umso schwächer wird, je länger die Molekülkette ist, was darauf hindeutet, dass die Molekülkette das Hüpfen von Elektronen von der linken zur rechten Elektrode behindern könnte. Die entsprechende Erklärung ist in Abb. 5a dargestellt, sodass wir uns auf den Transmissionspeak in der Nähe des E . konzentrieren können _F da der Strom zum großen Teil von der Transmissionsspitze beigesteuert wird [18, 20]. Das Transmissionsspektrum von M_0A verfolgt mehrere Gipfel um das Fermi-Niveau; im Gegenteil, die Übertragungsspitze wird ab M_0A . immer niedriger nach M_0D mit zunehmender Länge der molekularen Verbindung. Der Übersichtlichkeit halber zeigt der Einschub von Fig. 5a den Verstärkungspeak für M_0C und M_0D bezieht sich auf die Reduzierung des Stroms. Tatsächlich ist das reine AγGYNR keine perfekte Elektrode, um einen (elektronischen) Spin-Übergang aufzubauen; die Frage der N-einleitenden Position muss hier berücksichtigt werden.

(Farbe online) Die berechneten Transmissionsspektren von AγGYNRs bei null Bias a ohne oder b –d mit verschiedenen N-Dotierungsmodellen in den horizontalen molekularen Nanodrähten, wobei die entsprechende wiederholte Elementarzelle in Abb. 1 dargestellt ist. a Die Transmissionsspektren für nicht-dotierende AγGYNRs für M₀ einschließlich vier Molekülketten mit unterschiedlichen Moleküllängen für A–D; die Farbe der durchgezogenen Linien in der Abbildung stimmt mit der in Abb. 2a überein. Der Einschub ist die teilweise vergrößerte Ansicht der Hauptansicht, bei der das Transmissionsspektrum weniger als 0,1 beträgt. Ebenso die durchgezogenen Linien in b stimmen mit den Linien mit gemeinsamen Farben in Abb. 2d für M_0D . überein –M_2D , und die durchgezogenen Linien in c /d entsprechen denen in Abb. 2e für M_3D –M_7D , bzw.

Wenn die Bauelemente mit einem einzelnen N-Atom an Position 1 (M₁ ) oder 2 (M₂ ) tritt die umgekehrte Situation ein, und wir bemerken, dass alle Ströme in Abb. 4b und c verstärkt sind. Der Strom erhält einen großen Wert unter V ≤ 1.2 V, und sie nimmt mit zunehmender Vorspannung für das Gerät M_1A ab –M_1D in Abb. 4b. Beachten Sie, dass das offensichtliche NDR-Verhalten bei einem Einbruch des Stroms zwischen 0,6 und 1,6 V beobachtet werden kann. Eine ähnliche I-V Kurve angezeigt, dass der NDR-Effekt auch für M_2B . gefunden wird in Abb. 4c. Das Maximum des Peak-to-Tal-Verhältnisses (PVR) kann bis zu 5,6 erreichen. Die anderen Kurven zeigen jedoch andere interessante Merkmale, die aus dem asymmetrischen Transportweg in Abb. 3b stammen, was möglicherweise zu einem neuen physikalischen Effekt führen könnte, der später diskutiert wird.

Um den Einfluss des Dotierstoffes zu vergleichen, zeichnen wir außerdem die I-V Kurven von M₀ , M₁ , und M₂ mit einer vierfach wiederholten Molekülkette in Abb. 4d, was darauf hinweist, dass die einzelne N-Dotierung von AγGYNR den Ladungstransport effektiv verstärken kann, was zu einem starken Strom führt. Daher sind die Werte der roten Linie (für M_1D ) und die blaue Linie (für M_2D ) sind größer als die der schwarzen Linie (für M_0D ). In Abb. 5b ist die Transportspitze von M_1D . zu sehen erstreckt sich auf den Energiebereich von − 0,26 eV ≤ E ≤ 0,8 eV, was dazu beiträgt, dass das Elektron durch den zentralen Streubereich fließt. Es gibt einen scharfen Transportpeak um das Fermi-Niveau für M_2D (die blaue Linie), die etwas niedriger ist als die vorherige; als Ergebnis erscheint eine relativ schwächere Stromkurve. Natürlich keine Transportlücke für M_0D (siehe die schwarze Linie in Abb. 5b) führt zu einem Stromwert von fast Null. Obwohl es bei E many viele Transportspitzen gibt> 1.0 eV, haben sie einen winzigen Beitrag zur Transporteigenschaft von Geräten, die auf AγGYNRs basieren. Daher ist die einzelne N-Dotierung eine effektive Methode, um die Streuung und das Hüpfen von Elektronen an unseren entworfenen Nanoübergängen zu fördern.

Wenn die reinen Bauelemente mit doppelten N-Atomen dotiert sind, legen die Berechnungsergebnisse nahe, dass der Gesamtstrom mit den substituierten Positionen der Dotierstoffe für die chemische Modifikation variiert. Abbildung 4e zeigt, dass die Ströme von M_4D und M_5D sind größer als die drei von 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

Schlussfolgerungen

In summary, the comprehensive ab initio calculations based on the density functional theory combined with non-equilibrium Green’s function formalism on the 2D armchair 3-γ-graphyne sheets and nanoribbons with the incorporation of nitrogen atoms possess many electronic and transport characteristics that are obviously different from those of well-known graphene and typical graphynes. By exploring the impact of single or double N-doping defects of AγGYNRs, our results confirm that band structures of super unit cells are highly dependent on the positions of the dopant in the central C₆ ring of nanoribbons. We can obtain some semiconducting nanoribbons with narrow band gap or conductors of AγGYNRs. With regard to the transport properties, the different lengths of molecular chains induce interesting negative difference resistance behavior which has been expected for nanoelectronic junctions. In particular, the hexagonal rings in the middle of nanoribbons hold a vital role in the transport properties. The longer the molecular chain is, the more obvious NDR effect can be observed in the junctions including N-instituting positions. For the crucial N-doping for junctions M_2D and M_6D , the spin-polarized currents with the maximums of rectification ratio and peak to valley ratio of 480% and 36.8 in spin-up direction have been found, respectively. We propose the distinct physical mechanisms notably suggesting that the molecular junctions of AγGYNRs endow potential applications for future nanoelectronic devices.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

The design of nanojunctions and computational calculations were carried out by ATK.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

ATK:

Atomistix ToolKit

AγGYNR:

Armchair-edged γ-graphyne nanoribbon

C₆ :

Six-membered carbon

DN:

Spin-down

E _F :

Fermi energy

HOMO:

Höchstes besetztes Molekülorbital

LUMO:

Niedrigstes unbesetztes Molekülorbital

NDR:

Negative difference resistance

PDOS:

Projected density of state

PVR:

Peak to valley ratio

RR:

Rectification ratio

UP:

Spin-up