含节点的低维纳米输运体系电子声子输运机制及节点对输运性质的影响研究

The transport of the electrons and phonons in contacts region, where the transition area from mesoscopic to macroscopic in low-dimensional nanometer transport system, has significant effect on the electronic and thermal properties of the system, but in previous researches the effect was frequently ignored, which led to obvious difference between the theoretical predictions and experimental results. In this project we will employ three models, e.g. uniform system, coupling subsystem and extended coupling subsystem, which can illustrate the effect of contacts. To the uniform system and the coupling subsystem, we adopt the self-consistent electron transport theory for nanometer structure combined the Winger Function, Non-Equilibrium Green Function, respectively to study the electron transport properties. Basing on the results given the coupling subsystem, we combine the first-principles method and discuss the thermoelectricity of the extended coupling subsystem. Our discussion will center on the effect of the geometric configurations of contacts and external fields on the transport properties. In consideration of the doping and size effect, we will simulate the transport in the carbon nanometer tube and Si nanometer wire array, by these ways to verify and improve the theories and approaches. The main aim is to develop the theory and approach to effectively deal with the electrons and phonons in the low-dimensional nanometer transport system; and clarify the influencing mechanism of the electrons and the phonons transport in the contacts, explore the probable routes and approaches to improve the performance of nanometer devices, provide basic scientific evidence for the deign and preparation of the high-performance nanometer devices.

低维纳米输运体系中介观向宏观过渡的节点区域中电子、声子输运行为对体系电学和热学性质有显著影响，但在以往研究中往往被忽略，导致理论预言与实验结果出入较大。本项目拟构建能有效反映节点影响的统一体、子系统耦合及扩展子系统耦合三种输运模型。针对统一体和子系统模型，分别采用纳米结构自洽输运理论结合winger函数方法和非平衡态格林函数研究其电子输运；在子系统模型电子输运研究基础上，结合第一性原理方法研究扩展子系统模型的热电特性。重点讨论节点几何构型、外场等对体系输运特性的影响。在考虑掺杂、尺寸等因素后，模拟碳纳米管和硅基纳米线阵列的输运过程，检验、完善理论模型和相应方法。通过本项目的研究可望得到能有效处理含节点的低维纳米输运体系中电子声子输运的理论和方法，阐明节点区电子声子输运行为及其对体系电学和热学特性的影响机制，探索提高纳米器件性能的可能途径和方法，为高性能纳米器件的设计和制备提供基础科学依据。

低维纳米中电子声子的输运行为已成为凝聚态物理、信息技术领域的研究热点，其研究结果对纳米器件的设计、开发与应用发挥了重要的推动作用。本项目拟构建能有效反映节点影响的统一体、子系统耦合及扩展子系统耦合三种输运模型。针对统一体和子系统模型，分别采用纳米结构自洽输运理论结合winger 函数方法和非平衡态格林函数研究其电子输运；在子系统模型电子输运研究基础上，结合第一性原理方法研究扩展子系统模型的热电特性。讨论了节点几何构型、外场等对体系输运特性的影响。在考虑掺杂、尺寸等因素后，模拟碳纳米管和硅基纳米线阵列的输运过程，检验、完善理论模型和相应方法。主要结果：1）不考虑低维纳米结构中心区电荷量子化，将低维纳米结构、引线与部分宏观电极视为整体输运体系，构建了统一体输运模型，如连接宽电子库的一维量子限域结构模型。运用纳米结构对外场响应的电子自洽输运理，讨论了该一维量子限域结构内部电势与电荷分布、体系含时电容与电导等物理量与输运体系费米能、外场频率等的关系；2）讨论了介观相干平行板电容器串联电容与外场频率的关系，尺寸效应对串联介观相干平行板电容器电容的影响。研究结果表明介观体系电子含时输运性质对于节点的几何构型有很强的依赖性，特别是在外场频率较高时尤为明显；3）应用分子动力学方法和改进分析型嵌入原子模型研究了Ni、Al和V等纳米线的尺寸效应及面对尺寸效应的影响，并计算了相应完整晶格材料的弹性性能。结果表明完整晶格材料的弹性性能与已有实验和理论的结果相吻合，但数值计算表明所得各金属纳米线的体模量明显低于相应块材料的结果且随纳米线的尺寸增加而呈指数增加，并接近于常数。在此基础上通过研究Ni、Al和V纳米线表面能的尺寸效应及其分布特征，进一步探讨了自由表面在尺寸影响纳米线弹性性能过程中的作用及其内在机制。这些结果将为实验上制备真实纳米器件提供一定的理论指导。