Spinaufgelöste elektronische und Transport-Eigenschaften von Graphyn-Nanojunctions mit variablen Stickstoff-Substitutionspositionen

Zusammenfassung

Seit der rasanten theoretischen Entwicklung zweidimensionaler Graphyn-Nanobänder und Nanojunctions untersuchen wir hier die elektronischen Bandstrukturen und Transporteigenschaften von Junctions, die auf armchair-gerandeten γ-Graphyn-Nanobändern (AγGYNRs) mit asymmetrischer Stickstoff-Substitution im zentralen Kohlenstoff-Hexagon basieren. Mittels First-Principles-Berechnungen zeigen unsere Ergebnisse, dass die Anzahl und Position von Einzel- oder Doppeleinstickstoff-Dotierung die elektronischen Energiebänder effizient modulieren kann, wobei die stickstoffdotierten Hexagonringe in der Mitte der Junction eine entscheidende Rolle für den Ladungstransport spielen. Insbesondere wird ein Effekt negativer differentieller Widerstand (NDR) beobachtet, der ein maximales Peak-to-Valley-Verhältnis von bis zu 36,8 aufweist. Interessanterweise kann eine N-dotierte Junction mit längerer molekularer Kette im zentralen Streuungsbereich ein deutlicheres NDR-Verhalten induzieren. Die mikroskopische Mechanismus-Erklärung legt nahe, dass die asymmetrisch N-dotierte Junction durch Einführung einer längeren molekularen Kette eine stärkere pulsartige Strom-Spannungs-Abhängigkeit erzeugen kann, bedingt durch die Existenz eines Transportkanals innerhalb des Bias-Fensters bei höherer Bias-Spannung. Zusätzlich zeigt sich bei Berücksichtigung der Spin-Injektion ein faszinierender Gleichrichtereffekt in Kombination mit NDR, der für zukünftige Spintronik-Geräte vielversprechend ist.

Einleitung

Mehrere zweidimensionale (2D) Kohlenstoffmaterialien haben sich als potenzielle Kandidaten für spintronische Geräte erwiesen. Jüngste experimentelle Studien an 2D-Kohlenstoffmaterialien haben diesen Aspekt weiter beleuchtet. Besonders Graphen- und Graphyn-Nanostrukturen sowie zugehörige Geräte wurden theoretisch vorgeschlagen. Dabei wurden wertvolle Effekte wie Gleichrichtung, Schaltung, negativer differentieller Widerstand (NDR) und Spin-Filterung beobachtet. Zudem werden Graphen- und Graphyn-Materialien aufgrund ihrer herausragenden elektronischen und Transporteigenschaften als Elektrodenmaterialien für spintronische molekulare Junctions betrachtet.

Forschung zeigt, dass Graphen-Nanobänder experimentell in verschiedene Strukturen als molekulare Geräte geschnitten werden können. Ähnlich bieten Graphyn-Strukturen, die aus Kohlenstoffatomen bestehen, besser einstellbare elektronische und Transporteigenschaften als Graphen. Kürzlich wurde die Erzeugung von Graphdiyne-Filmen auf Kupferoberflächen durch Cross-Coupling-Reaktionen demonstriert. Ein rationaler Ansatz zur Synthese von Graphdiyne-Nanowänden mittels modifizierter Glaser-Hay-Kupplungsreaktion wurde berichtet. Dennoch bleibt die experimentelle Beobachtung entsprechender Junctions eine langfristige Herausforderung. Mit der Zeit wird erwartet, dass Graphyn-Nanobänder mittels Cross-Coupling-Reaktionen oder energiereicher Elektronenbestrahlung in Transmissionselektronenmikroskopen in Junctions überführt werden können. Aufgrund hoher Ladungsträgermobilität und ausgezeichneter elektronischer Eigenschaften erhalten Graphyn-Strukturen – einschließlich α-, β-, γ-, 6,6,12-, α-2-, δ-, 14,14,14-Graphyn und zugehöriger Heterojunctions – zunehmende theoretische Aufmerksamkeit. Allerdings fehlen Untersuchungen zu den Transporteigenschaften längenkontrollierter molekularer Ketten, die aus wiederholten Moleküleinheiten zwischen zwei semi-unendlichen γ-Graphyn-Nanoelektroden bestehen.

Das γ-Graphyn-Nanoband (γGYNR) kann in armchair- und zigzag-Gerandete klassifiziert werden und zeigt unabhängig von der Kantenstruktur halbleitendes Verhalten mit einer Bandlücke. Der armchair γGYNR (AγGYNR) wird seltener für spintronische und molekulare Junctions verwendet als der zigzag-Typ, da er eine größere Bandlücke aufweist. Stickstoff-Dotierung kann jedoch die elektronischen und Transporteigenschaften von Graphen und Graphyn verändern und die Bandlücke verringern. Experimentell wurde N-Dotierung in Graphen-Schichten realisiert. Theoretische Arbeiten zeigten bereits faszinierende elektronische oder Transporteigenschaften dotierter GYNRs. Experimentelle Untersuchungen an Graphdiyne-Nanobändern und Geräten mit und ohne N-Dotierung wurden kürzlich berichtet. Die acetylenischen Verknüpfungen zwischen zwei Kohlenstoff-Hexagonen im γGYNR bieten natürliche Hohlräume für Dotierung mit verschiedenen Kandidaten als n- oder p-Halbleiter. Daher ist es essenziell, Einzel- oder Doppeleinstickstoff-Dotierung in unseren vorgeschlagenen AγGYNR-Junctions zu betrachten.

Motiviert durch das tiefe Verständnis der spinabhängigen elektronischen und Transporteigenschaften längenverstellbarer molekularer Ketten zwischen zwei semi-unendlichen AγGYNRs mit unterschiedlichen N-Substitutionspositionen, haben wir die computergestützte Arbeit mittels First-Principles-Berechnung in Kombination mit dem Landauer-Büttiker-Ansatz durchgeführt. Die Simulationsergebnisse deuten darauf hin, dass N-Dotierung die Energielücke von 3-AγGYNR-Junctions effizient verringern kann; Einzel-N-Dotierung an Position M₂ und Doppel-N-Dotierung an M₆ induzieren eine Spin-Aufspaltung der Energiebänder. Der Transportstrom der 3-AγGYNR-Junction ohne N-Dotierung schwächt sich mit zunehmender Anzahl wiederholter Einheiten im Streuungsbereich ab; im Gegensatz dazu verstärken sich die Ströme bei Junctions mit Einzel- oder Doppeleinstickstoff-Substitution bei längerer molekularer Kette. Interessanterweise werden Gleichrichtungseffekte und offensichtliche NDR-Effekte in den N-dotierten Junctions M₂ und M₆ beobachtet. Diese Verhaltensweisen resultieren aus der unterschiedlichen Kopplung zwischen den beiden Elektroden und dem Streubereich. Zur mikroskopischen Erklärung des NDR-Mechanismus zeigt sich, dass die längere molekularere Kette in asymmetrisch N-dotierten Junctions eine deutlichere pulsartige Strom-Spannungs-Abhängigkeit erzeugen kann, bedingt durch einen offenen Transportkanal im entsprechenden Bias-Fenster bei höherer Bias-Spannung. Zudem hat der Hexagonring mit N-Substitutionspositionen einen entscheidenden Einfluss auf den Transportprozess.

Modellierung und Berechnungsmethoden

Die molekularen Drähte, bestehend aus 1 bis 4 wiederholten Moleküleinheiten (ein Benzol- und ein Acetylen-Molekül, mit oder ohne N-Dotierung), sind in der mittleren Abbildung von Abb. 1 durch vier grüne gestrichelte Rechtecke dargestellt. Der Streubereich der molekularen Kette mit N-Substitutionsposition wird zwischen zwei symmetrischen semi-unendlichen AγGYNRs eingebettet, wobei 1-wiederholte Kette (A), 2-wiederholter Draht (B), 3-wiederholte Kette (C) und 4-wiederholte Kette (D) jeweils angewendet werden. Wir wählen 3-AγGYNRs als Elektroden aufgrund ihrer symmetrischen π-σ-π-Architektur. Unsere Nanojunctions enthalten linken Lead, Streuungsbereich und rechten Lead; alle Rand-Kohlenstoffatome werden durch Wasserstoffatome gesättigt, um die Stabilität zu verbessern. Die vorgeschlagenen Geräte lassen sich experimentell mechanisch oder chemisch aus einem kompletten γGYNR in Junctions überführen. Zur Verdeutlichung zeigt die Hauptansicht im oberen Panel von Abb. 1 die Supereinheitszelle mit Einzel-N-Substitution in zentraler Position, bezeichnet als M₁ im zweiten Bild des unteren Panels. Der Einfachheit halber werden die atomaren Substitutionspositionen des C₆-Rings als 1, 2, 3, 4, 5 unter den entsprechenden Atomen des roten Rahmens nummeriert. Das ungedotete Gerät heißt M₀; Modelle mit zwei typischen Einzel-N-Substitutionspositionen (Ersetzen der Positionen 1 oder 2) sind M₁ und M₂; fünf typische Doppel-N-Dotierungen an verschiedenen Positionen (1/5, 2/3, 2/4, 1/4, 1/2) heißen M₃–M₇. Der rot schraffierte Teil im gestrichelten Rechteck der Hauptansicht ist die periodische Supereinheitszelle des Nanobands, die durch die acht Modelle ersetzt wird. Insgesamt wurden 32 typische Modelle untersucht. Beispielsweise wird die Junction von M₁ mit Einzel-N-Substitution an Position 1 und einer molekularen Kette aus vier wiederholten Einheiten als D als M₁D bezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

Für die praktischen elektronischen Bandstruktur-Berechnungen wird die periodische Supereinheitszelle mit N-Dotierung entlang der z-Richtung der Bandachse betrachtet. Zum Vergleich werden alle Einheitszellen für M₀–M₇ in Abb. 2a–h illustrativ dargestellt. Für unsere Junctions wird der zentrale Hexagonring mit N-Substitutionsposition als maßgeblich für die Transporteigenschaften angesehen; daher sind die zentralen C₆-Ringe mit N-Dotierung in einen blauen gestrichelten Rahmen mit blauem Schattierungsbereich eingeschlossen, für den auch die projizierte Zustandsdichte (PDOS) berechnet und in den rechten Panels von Abb. 2a–h gezeigt wird.

Zunächst untersuchen wir strukturelle und elektronische Eigenschaften von AγGYNRs. Abb. 2a zeigt, dass die elektronische Bandstruktur der reinen Supereinheitszelle M₀ einen Halbleiter mit direkter Energielücke von 1,16 eV offenbart. Das niedrigste Leitungsband und das höchste Valenzband stammen von π*- und π-Subbändern. Für M₁ und M₂ mit Einzel-N-Substitution (Abb. 2b, c) erstreckt sich ein offensichtliches Verunreinigungsband über das Fermi-Niveau, was zu einer nullligen Energielücke führt. Interessanterweise zeigt M₂ eine Spin-Aufspaltung der Bandstruktur. Die Einzel-N-Dotierung verringert die Energielücke an den Brillouin-Zonen-Grenzen, sodass M₁ und M₂ metallisches Verhalten aufweisen. Bei Doppel-N-Dotierung (M₃–M₇, Abb. 2d–h) zeigen sich neue Eigenschaften: Die Energielücken von M₃, M₄ und M₇ verringern sich auf 0,06, 0,04 und 0,44 eV – sie bleiben Halbleiter. M₅ und M₆ hingegen weisen Metallizität mit nullliger Bandlücke auf (Abb. 2f, g), was für den Transport wichtig ist. Auch bei M₆ tritt Spin-Aufspaltung auf. Das Auftreten von Metallizität hängt also entscheidend von den spezifischen N-Substitutionspositionen im zentralen C₆-Ring ab.

Um den Einfluss der N-Substitutionsposition zu verdeutlichen, werden die spinabhängigen Elektronen an den N-Atomen anhand der Spin-Dichteverteilungen (Einleger in Abb. 2a–h) identifiziert. In Abb. 2c und g ist die spinabhängige Streuung der Elektronen durch Einführung von Einzel- oder Doppel-N-Atomen erhöht, wodurch der Magnetismus der AγGYNRs im Vergleich zum reinen System (Abb. 2a) verstärkt wird. Auch in Abb. 2d und f finden sich reichhaltige Hopping- und Streuprozesse. Bei diesen vier Spin-Dichtebildern verteilen sich die spinabhängigen Elektronen über alle Einheitszellen, was zum Ladungstransport beiträgt. In Abb. 2b und e sind die Elektronendichteverteilungen teilweise im zentralen Bereich der Einleger lokalisiert, in Abb. 2h im zentralen und unteren Teil. Somit spielt der Dopant im zentralen Hexagonring der Supereinheitszellen eine Hauptrolle für die elektronische Bandstruktur.

Zusätzlich werden die acht Modelle als Einleger in den rechten Panels von Abb. 2a–h gezeigt, wobei die Hexagonringe mit N-Substitution durch blaue schattierte gestrichelte Rahmen markiert sind. Die PDOS dieser Hexagonringe werden in den rechten Panels geplottet. Die Ergebnisse zeigen, dass die PDOS des bezeichneten Bereichs in M₀–M₇ gut mit den entsprechenden Bandstrukturen korrelieren; insbesondere stammen die π*- und π-Subbänder nahe dem Fermi-Niveau hauptsächlich vom Beitrag des Sechs-Mitgliederrings. Für das ursprüngliche Modell M₀ (Abb. 2a) gibt es keinen PDOS-Peak um E_F, was zu einer breiten Energielücke und halbleitendem Verhalten führt. Werden typische C-Atome im C₆-Ring durch Einzel- oder Doppel-N-Atome ersetzt (M₁–M₇), bewegen sich die beiden PDOS-Peaks näher an E_F und verringern die Bandlücke. Beispielsweise zeigen M₁ und M₄ zwei hohe PDOS-Peaks um das Fermi-Niveau (Abb. 2b, e), die maßgeblich zur Verengung der Bandlücke an der ersten Brillouin-Zone beitragen. Noch interessanter sind die Spin-up- und Spin-down-Energiebänder von M₂ und M₆ (Abb. 2c, g), die aufgespalten sind, weil die Spin-up-(Spin-down-)PDOS zu niedrigeren (höheren) Energiezuständen verschoben werden. Für M₃, M₅, M₇ (Abb. 2d, f, h) existieren ebenfalls zwei separate PDOS-Peaks nahe dem Fermi-Niveau, die zum Auftreten der π*- und π-Subbänder beitragen. Daher ist die N-Dotierung im zentralen C₆-Ring-Bereich von M₀–M₇ ein entscheidender Faktor, und es ist interessant, den Elektronentransport der daraus designten AγGYNRs weiter zu untersuchen.

Um die Transporteigenschaften zu veranschaulichen, werden die Transmissionspfade der N-dotierten AγGYNRs in Abb. 3 dargestellt. Modelle mit extrem geringen Transmissionspfaden (M₀ und M₇) werden weggelassen; die Geräte M₁–M₆ mit vier wiederholten Einheitszellen (D) im zentralen Streubereich werden betrachtet. Bei M₀ und M₇ sind die Transmissionspfade unterbrochen, es gibt keinen Transportkanal, und Elektronen-Hopping tritt nur im linken Elektroden auf. Alle sechs dargestellten Geräte zeigen einen perfekten Transportkanal (Abb. 3a–f), d.h. Elektronen können vom linken zum rechten Lead fließen. Tatsächlich ermöglicht die N-Dotierung den Durchgang durch den zentralen Streubereich. In Abb. 3a, b (M₁, M₂) findet elektronischer Übergang nicht nur zwischen nächsten Nachbarn, sondern auch zwischen übernächsten Nachbarn statt. Bei Doppel-N-Dotierung (M₃–M₆, Abb. 3c–f) treten noch reichhaltigere Übergänge zu übernächsten Nachbarn auf.

Fokussiert man den zentralen Streubereich, so findet der übernächste elektronische Übergang bei allen dargestellten Modellen um die N-Atome herum statt. Die N-Dotierung spielt also eine wichtige Rolle für den elektronischen Übergang und trägt zur Erzeugung stärkerer Ströme bei (Abb. 4). Die meisten Transmissionspfade lokalisieren in den C₆-Ringen der AγGYNRs, was bedeutet, dass N-dotierte C₆-Ringe einen Hauptbeitrag für diese Nanojunctions leisten. In der linken Spalte von Abb. 3 (M₁, M₃, M₅) zeigen die Transmissionspfade eine symmetrische Verteilung entlang der molekularen Ketten. Für M₂, M₄, M₆ (rechte Spalte) weisen sie schwächere elektronische Übergangstendenzen im vierten Molekül des Streubereichs auf (Abb. 3b, d, f). Daher sind längere molekulare Ketten über vier wiederholte Supereinheiten hinaus für diese typischen Junctions nicht geeignet. Besonders die Pfade von M₅ (Abb. 3e) verteilen mehr Transportkanal-Möglichkeiten als die anderen. Die Rückstreuung von Elektronen wird an der oberen Kante der molekularen Ketten durch die Existenz der Doppel-N-Dotieratome bei M₅ und M₆ (Abb. 3e, f) verstärkt. Folglich übt der N-Dopant einen entscheidenden Einfluss auf den Ladungstransport der AγGYNR-Junctions aus. Zudem deuten die asymmetrischen Verteilungen der Transmissionspfade für M₂ und M₆ (Abb. 3b, f) auf interessante physikalische Verhaltensweisen hin.

Als Nächstes betrachten wir die Strom-Spannungs-Kennlinien (I-V) dieser Junctions (Abb. 4). Der reine M₀-Gerät (Abb. 4a) zeigt eine Schwellenspannung von ~1,2 V; darunter erhöht sich die Leitfähigkeitslücke mit steigender Bias-Spannung aufgrund der Verschiebung der Bandstrukturen (Abb. 2a) in den Leads. Daher existiert ein extrem schwacher Strom für M₀A–M₀D (Einleger in Abb. 4a, vergrößert für 0–1,0 V). Oberhalb von 1,2 V wird der Strom umso schwächer, je länger die molekulare Kette ist, was bedeutet, dass die Kette das Elektronen-Hopping von links nach rechts behindert. Die Erklärung findet sich in Abb. 5a: Der Transmissionspeak nahe E_F trägt maßgeblich zum Strom bei. M₀A zeigt mehrere Peaks um E_F; von M₀A bis M₀D wird der Peak mit zunehmender Kettenlänge immer niedriger. Der Einleger in Abb. 5a (vergrößert für M₀C, M₀D) verdeutlicht die Stromreduktion. Der reine AγGYNR ist also keine ideale Elektrode für Spin-(elektronische) Junctions; die N-Substitutionsposition muss berücksichtigt werden.

Bei Einzel-N-Dotierung an Position 1 (M₁) oder 2 (M₂) tritt die gegenteilige Situation ein: Alle Ströme werden verstärkt (Abb. 4b, c). Der Strom erreicht große Werte bei V ≤ 1,2 V und fällt dann mit steigender Bias für M₁A–M₁D (Abb. 4b). Ein offensichtliches NDR-Verhalten ist zwischen 0,6 und 1,6 V zu beobachten. Ein ähnlicher I-V-Verlauf zeigt NDR auch für M₂B (Abb. 4c). Das maximale Peak-to-Valley-Verhältnis (PVR) erreicht 5,6. Die anderen Kurven zeigen unterschiedliche interessante Merkmale, die von den asymmetrischen Transmissionspfaden in Abb. 3b herrühren und möglicherweise neue physikalische Effekte ergeben.

Zum Vergleich der Dotierungseinflüsse zeigt Abb. 4d die I-V-Kurven von M₀, M₁, M₂ mit vierfacher Wiederholung (D): Einzel-N-Dotierung verstärkt den Ladungstransport effektiv und führt zu starken Strömen. Die Werte der roten Linie (M₁D) und blauen Linie (M₂D) übersteigen die der schwarzen Linie (M₀D). In Abb. 5b erstreckt sich der Transportpeak von M₁D über −0,26 eV ≤ E ≤ 0,8 eV, was Elektronenfluss durch den Streubereich ermöglicht. Für M₂D (blaue Linie) gibt es einen scharfen Peak nahe E_F, etwas niedriger als der von M₁D, was einen etwas schwächeren Strom ergibt. M₀D (schwarze Linie) hat eine nulllige Transportlücke an E_F, was zu nahezu nullem Strom führt. Obwohl bei E > 1,0 eV viele Transportpeaks existieren, tragen diese kaum zum Transport bei. Einzel-N-Dotierung ist somit eine effektive Methode zur Förderung von Streuung und Hopping in unseren Nanojunctions.

Bei Doppel-N-Dotierung variiert der Gesamtstrom mit den Substitutionspositionen (Abb. 4e). Die Ströme von M₄D und M₅D sind größer als die von M₃D, M₆D, M₇D. Die blaue Linie (M₅D) zeigt einen nahezu linearen Anstieg mit hoher Stromstärke bei hohem Bias; die rote (M₄D) ist nichtlinear mit größerem Strom bei niedriger Spannung, da der rote Transmissionspeak in Abb. 5c nahe E_F lokalisiert ist und bei niedrigem Bias leicht leitet, während der blaue Peak weiter vom Nulllenergieniveau entfernt ist und eine hohe Spannung benötigt, um den Transportkanal zu öffnen. Daher ist der Strom von M₄D bei niedrigem Bias [0, 1,2 V] größer, wird aber bei höheren Biases von M₅D übertroffen.

Wie erklärt, besitzen alle drei Junctions viele Transmissionspeaks nahe E_F (Transmissionskoeffizienten sind an E_F null) in Abb. 5d, was zu geringen Strömen führt. Besonders der gelben Linie (M₆D) zeigen viele höhere Peaks bei positiver Energie, was den offensichtlichen NDR-Effekt unterstützt. Um das NDR-Phänomen für M₆ genauer zu betrachten, werden alle I-V-Kennlinien von M₆A bis M₆D geplottet (Abb. 4f): Der NDR-Effekt verstärkt sich mit zunehmender Kettenlänge. Der PVR steigt von 1,7 (M₆A) auf 5,4 (M₆B), erreicht 12,8 (M₆C) und maximal 24,5 (M₆D). Die Kettenlänge moduliert also effizient das Auftreten und die Intensität des NDR-Verhaltens.

Zudem werden die spinaufgelösten Ströme als Funktion der Bias-Spannung für M₂D und M₆D in Abb. 6 dargestellt. Beide Modelle zeigen asymmetrische pulsartige I-V-Verhalten im gesamten Bias-Bereich, was ein perfektes NDR-Phänomen ergibt. Der Spin-up-Strom von M₂D zeigt NDR mit PVR 18,9 (Abb. 6a); bei M₆D erreicht der PVR im Spin-up-Fall 36,8 zwischen 0,8 und 1,6 V (Abb. 6b) und 24 im Spin-down-Fall von 1,2 bis 1,6 V. Besonders bei M₂D (Abb. 6a) sind die positiven Ströme in beiden Spin-Richtungen stärker als die negativen, was einen Gleichrichtereffekt impliziert. Der Gleichrichtungsverhältnis (RR) wird definiert als RR(%) = I(V)/|I(−V)| × 100% für Spin-up (Spin-down). Bei ±0,6 V betragen RR für Spin-up und Spin-down 480% bzw. 440%. Aus praktischer Sicht kann N-Dotierung also nicht nur die Bandstruktur beeinflussen, sondern auch Geräteeigenschaften modulieren.

Zur Analyse des Gleichrichtungsmechanismus werden die spinabhängigen Bandstrukturen bei Bias ±0,6 V und die Transmissionsspektren für M₂D in Abb. 7 gezeigt. Durch Einführung von Einzel-N-Dotierung verschiebt sich das Spin-up-Band des linken Elektroden bei +0,6 V in Richtung negativer Energie, während das rechte in positive Richtung tendiert (Abb. 7a). Das Subband des linken Leads koppelt mit dem des rechten bei E ≈ 0,25 eV, und der Transmissionspeak bewegt sich in das Bias-Fenster, sodass der Transportkanal bei 0,6 V öffnet und zum Ladungstransport beiträgt. Bei −0,6 V (Abb. 7b) bewegen sich die Bänder in entgegengesetzte Richtungen; obwohl die Subbänder noch zusammenpassen, ist die Transmissionswahrscheinlichkeit im Bias-Fenster nahezu null, was den geringen Strom bei V_b = −0,6 V erklärt. Damit wird das gleichrichtende Verhalten erzielt. Generell tritt der Gleichrichtereffekt oft in asymmetrischen molekularen Strukturen auf; die Asymmetrie der Geräte ist also der Hauptgrund.

Da viele NDR-Effekte in unseren Modellen beobachtet wurden, interpretieren wir die Grundlagen in Abb. 8. Als Beispiel dient der NDR von 0,8 bis 1,6 V in Spin-up-Richtung mit hohem PVR 36,8 für M₆D. Bei 0,8 V (Abb. 8a) passen die linken Subbänder stark zu den rechten; das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO) spielt eine entscheidende Rolle, wodurch ein Streukanal für Spin-up-Elektronen geöffnet wird. Ein grüner gestrichelter Pfeil in Abb. 8a zeigt den offenen Transportkanal bei 0,8 V. Das höchste besetzte Molekülorbital (HOMO) trägt sekundär zum Transport bei. Bei 1,6 V (Abb. 8b) erweitert sich das Bias-Fenster auf ±0,8 eV. Ein niedrigerer Transmissionspeak erscheint im Bias-Fenster, aber die Kopplung der Subbänder beider Leads ist in diesem Energiebereich schwach, was zu einem extrem schwachen Transmissionspeak im Streubereich führt. Daher entsteht NDR im Spin-up-Strom mit hohem PVR für M₆D mit Doppel-N-Substitution. Dies könnte ein hervorragender Kandidat für einen Spin-Schalter nanoelektronischer Geräte auf AγGYNR-Basis sein. Die Erzeugungs- und Transportmerkmale spinpolarisierter Ströme bleiben somit zentrale Themen für Spintronik-Geräte.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend zeigen umfassende ab-initio-Berechnungen basierend auf Dichtefunktionaltheorie kombiniert mit Nicht-Gleichgewichts-Greenschen-Funktionen-Formalismus an 2D-armchair-3-γ-Graphyn-Schichten und -Nanobändern mit Stickstoffeinbau viele elektronische und Transporteigenschaften, die sich deutlich von bekannten Graphen und typischen Graphynen unterscheiden. Durch Untersuchung der Auswirkungen von Einzel- oder Doppeleinstickstoff-Defekten in AγGYNRs bestätigen wir, dass die Bandstrukturen der Supereinheitszellen stark von den Dopantenpositionen im zentralen C₆-Ring der Nanobänder abhängen. Wir erhalten Halbleiter-Nanobänder mit schmaler Bandlücke oder Leiter. Hinsichtlich der Transporteigenschaften induzieren unterschiedliche Längen der molekularen Ketten interessante NDR-Verhalten, die für nanoelektronische Junctions erwartet werden. Insbesondere spielen die Hexagonringe in der Mitte der Nanobänder eine entscheidende Rolle für die Transporteigenschaften. Je länger die molekulare Kette, desto offensichtlicher der NDR-Effekt in Junctions mit N-Substitutionspositionen. Für die entscheidenden N-dotierten Junctions M₂D und M₆D wurden spinpolarisierte Ströme mit Maxima von Gleichrichtungsverhältnis (480%) und Peak-to-Valley-Verhältnis (36,8) in Spin-up-Richtung gefunden. Wir schlagen distincte physikalische Mechanismen vor, die zeigen, dass molekulare Junctions von AγGYNRs potenzielle Anwendungen für zukünftige nanoelektronische Geräte bieten.