硫-X（X=氮、氧、磷）共掺杂石墨烯分子器件的理论设计与机理研究

Doping is an important strategy to achieve high performance of graphene devices, but the complicated synergistic effects between the co-doping heteroatoms are still unclear. Here, we plan to develop and use multi-scale composite methods based on ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations, first principles of electronic structure calculations and non-equilibrium green function (NEGF) transport theory to statistically investigate the S-X (S=sulfur; X= nitrogen, oxygen, phosphorus) co-doped graphene. We will design a variety of molecular devices according to the S-X co-doped graphene structure and configuration prepared in experiment; Thermodynamics and dynamics performance of devices will be studied for obtaining the devices with good room temperature stability. Transport properties and current-voltage(I-V) characteristics of the devices will be calculated for selecting out the devices with good performance. Then, mechanism of devices will be revealed from the perspective of the formation, distribution and evolution behaviors of the vital quantum states. Last, we will explore the possible quantum technologies to tune and improve their performances by adjusting doping sites and doping concentration of S, N, O, P atoms. It is aimed to master basic methods for designing S-X co-doped graphene molecular devices and obtain five or six S-X co-doped graphene molecular devices with working-stable properties and high performance. The results will provide theory support for further designing and producing efficient carbon-based molecular devices. Thus, this project has important theoretical significance and practical values.

掺杂是实现高性能石墨烯器件应用的重要策略，共掺原子间的协同效应有待进一步深入研究。本项目拟选用第一性原理计算、从头算分子动力学模拟和非平衡格林函数输运理论相结合的多尺度复合方法，针对S-X（S=硫；X= N/氮、O/氧、P/磷）共掺杂石墨烯展开研究。具体依据实验可制备的S-X掺杂石墨烯结构，设计出多种器件；研究器件的热力学和动力学性能，筛选出室温稳定性好的体系；研究其在不同条件下的输运性能和电流-电压特征，获得功能型器件，并从关键量子态的形成、分布和演化角度深入理解其工作机理；研究器件性能随S-N、S-O和S-P对的位置及掺杂浓度的变化规律，获得提升器件性能的方法并理解机理；形成并掌握一套基于量子协同效应设计S-X共掺杂石墨烯分子器件的基本方法和思路；获得5-6种实验可制备的工作稳定性好的高性能分子器件。研究成果可为设计和制备高性能的碳基分子器件提供理论依据，具有重要的理论意义和实用价值。

石墨烯基分子器件为解决传统硅基器件在微小化过程中遇到的困难和限制提供了新的思路和方向。异原子掺杂是打开石墨烯能隙的一种有效方法，并且能够实现对石墨烯电子结构和物理化学特性的有效调控。本项目拟采用从头算分子动力学模拟、第一性原理电子结构计算和非平衡格林函数输运理论相结合的多尺度复合方法展开研究。研究表明：S-AGNR/AGNR异质结具有固有的整流行为，整流比高达104，通过选择条带的宽度实现整流方向的可调控性。有序氮掺杂石墨烯纳米带（C5N-GNR）具有超高电导（>15G0）。且纳米带的电导随着宽度的增加而增大。只有宽度为W=3p+1（p为整数）的硼（B）吸附AGNRs才具有磁性，并产生与B原子的吸附位置、带宽、原胞大小无关的1.0µB净磁矩。p-AP-ZGNR系统在低偏压下具有显著的自旋分裂和完美的自旋滤波行为（100％），且自旋滤波的性能对所用分子的子结构不敏感。E-ZGNR的非对称边缘态可引入0.02μB的净磁矩，得到极化率为100%的自旋极化电流。CrOF和CrOCl单层膜具有良好的稳定性，为铁磁半导体，居里温度分别为215K和64K。通过栅电压的空穴掺杂可以实现高温铁磁性和可控半金属性。Ni吸附原子在Wulff构型（100）面的面内和面间的扩散过程均很难实现，而在（111）面内，无论是从面中心往台阶扩散还是沿着台阶扩散都较容易实现。钛注入将每个单元的磁矩从6.0μB增加到10μB，并使CrI3单层具有半金属性。嵌入Ti原子的CrI3的居里温度(TC)可达282K。P(VDF-TrFE)/P(VDF-TrFE-CFE)（1/1）30多层膜的热电性强于（15/15）2多层膜和P(VDF-TrFE-CFE)薄膜。我们的研究结果为实现高电导率材料开辟了新途径，为设计高效的半导体自旋器件提供了新方法，有利于设计方向可控的整流器件。