Propiedades electrónicas y de transporte resueltas por giro de nanouniones basadas en grafeno con diferentes posiciones de sustitución de N

(Color en línea) La estructura de la banda electrónica (en los paneles de la izquierda) y la distribución de la densidad de espín (las inserciones en los paneles de la derecha de cada imagen con nubes rojas y azules que indican electrones positivos y negativos) para las celdas superunitarias de M ₀ –M ₇ correspondiente a la a - h . La línea discontinua azul horizontal también se dibuja para indicar la posición del nivel de energía de Fermi. La densidad de estado proyectada (PDOS) en los paneles de la derecha de a - h es la densidad de estado con respecto a todos los átomos de los anillos hexagonales dentro del marco sombreado en azul, respectivamente. Aquí, las líneas roja y verde representan los componentes de aceleración (ARRIBA) y desaceleración (DN) para M ₂ y M ₆ en c y g

En primer lugar, investigamos las características estructurales y electrónicas de los AγGYNR. Como se muestra en la Fig. 2a, la banda electrónica de la supercélula prístina para M ₀ muestra que el AγGYNR es un semiconductor con una brecha de energía directa de 1,16 eV. La banda de conducción más baja y la banda de valencia más alta se originan en la subbanda π * y π, respectivamente [37, 69]. Pero para M ₁ y M ₂ con una posición N-instituyente única en la Fig. 2b yc, una franja de impureza obvia se extiende a través del nivel de Fermi, lo que produce una brecha de energía cero. Curiosamente, la estructura de banda electrónica de M ₂ es spin partiendo. La inclusión del dopaje N único reduce la brecha energética en los límites de la zona de Brillouin. Como resultado, las estructuras de bandas para M ₁ y M ₂ comportarse como propiedad del metal. Cuando la celda unitaria del sistema se dopó con doble N-dopaje para M ₃ –M ₇ en las Figs. 2d – h, se han descubierto algunas propiedades nuevas de las estructuras de bandas. Las brechas de energía de M ₃ , M ₄ y M ₇ se han reducido a 0,06, 0,04 y 0,44 eV debido al uso de dopante en la estructura prístina, que imagina que siguen siendo semiconductores después del dopaje doble N. Sin embargo, podemos encontrar que las estructuras de bandas de M ₅ y M ₆ realizar metalicidad con cero banda prohibida en la Fig. 2f yg, lo que resulta en que es de importancia para el comportamiento de transporte. De manera similar, la división de espín de la estructura de la banda electrónica surge en la estructura de doble dopado de M ₆ en la Fig. 2g. Tenga en cuenta que la aparición de metalicidad depende de las posiciones típicas N-instituyentes en el centro C ₆ anillo de AγGYNR. Como se muestra más adelante, la parte central del C ₆ El anillo de hecho influye en las propiedades de conducción de los AγGYNR informados en nuestro trabajo actual.

Para ilustrar en profundidad el impacto de la posición instituyente de N, los electrones dependientes de espín en los átomos de N pueden identificarse a partir de la distribución de densidad de espín de los AγGYNR (ver cada recuadro en la Fig. 2a-h). Como se muestra en la Fig. 2c yg, obviamente, la dispersión de electrones dependiente de espín aumenta debido a la introducción de átomos de N simples o dobles; como resultado, el magnetismo de los AγGYNR se mejora en comparación con el prístino en la Fig. 2a. Mientras tanto, el salto y la dispersión relativamente ricos de los electrones también se pueden encontrar en la figura 2d y f. Para esas cuatro imágenes de densidades de espín, las distribuciones de electrones dependientes de espín se han extendido a todas las celdas unitarias, lo que tiene como consecuencia que contribuye al transporte de carga. Sin embargo, las distribuciones de la densidad de electrones se localizan parcialmente en la parte central de los insertos para la figura 2b y e, mientras que para la figura 2h, se localiza en la parte central e inferior del inserto. Por lo tanto, el dopante en el anillo hexagonal central de las supercélulas juega un impacto principal en la banda electrónica. Nuestra observación se transfiere a la región de C ₆ suene en nuestra estructura de propuesta.

Además, los ocho modelos se han mostrado como inserciones en el panel derecho de la Fig. 2a – h, donde los anillos hexagonales con posiciones de sustitución de N están encerrados con los marcos discontinuos sombreados en azul en el modelo, respectivamente. Los PDOS de los anillos hexagonales están graficados en el panel derecho de la Fig. 2a-h. Los resultados sugieren que el PDOS del área designada en M ₀ –M ₇ puede coincidir bien con las estructuras de banda electrónica correspondientes; especialmente, las subbandas π * y π cercanas al nivel de Fermi se originan principalmente de la contribución del anillo de seis miembros. Para el modelo original de M ₀ en la Fig. 2a, no hay un pico de PDOS alrededor de la E _F lo que conduce a una amplia brecha de energía, que da como resultado una propiedad semiconductora. Si los átomos de C típicos en el C ₆ el anillo se reemplaza por átomos de N simples o dobles como M ₁ –M ₇ , los picos dobles de la tendencia de PDOS a acercarse a la E _F contribuyendo a la disminución de una banda prohibida. Por ejemplo, hay dos picos altos de PDOS alrededor del nivel de Fermi (ver Fig. 2b y e) para M ₁ y M ₄ ; en gran medida, contribuyen a reducir la brecha de banda en la primera zona de Brillouin. Más interesante aún, las bandas de energía de giro hacia arriba y hacia abajo para M ₂ y M ₆ (ver Fig. 2c yg) se están dividiendo como resultado de que los PDOS de giro hacia arriba (giro hacia abajo) se mueven hacia abajo (hacia arriba) a un estado de energía más baja (más alta). Sin embargo, para M ₃ , M ₅ y M ₇ en los paneles de la derecha de la Fig. 2d, fyh, también existen dos picos separados de PDOS cerca del nivel de Fermi, lo que contribuye a la aparición de subbandas π * y π. Por lo tanto, el dopaje N en el C ₆ central anillo parte de M ₀ –M ₇ es un tema vital, y es interesante continuar estudiando el transporte de electrones de AγGYNRs diseñando a partir de las ocho supercélulas originales.

Para ilustrar las propiedades de transporte de los AγGYNR, trazamos las vías de transmisión de los AγGYNR con N-dopaje para mostrar las probabilidades de transmisión de las nanocintas en la Fig. 3. Omitiendo las imágenes con distribuciones terriblemente pequeñas de las vías de transmisión para M ₀ y M ₇ , los dispositivos M ₁ –M ₆ Se consideran las cadenas moleculares con cuatro celdas unitarias repetidas denominadas D en la región de dispersión central. Para M ₀ y M ₇ , las vías de transmisión se interrumpen sin canal de transporte, y los saltos y la dispersión de electrones solo aparecen en el electrodo izquierdo, por lo que aquí se ignoran sus distribuciones de vías de transmisión. Los seis dispositivos muestran un canal de transporte perfecto en la figura 3a-f, cuya imagen muestra que los electrones pueden fluir desde el cable izquierdo al derecho. De hecho, los electrones pueden atravesar el área de dispersión central resultante de la inclusión del dopaje N. Como se muestra en la Fig. 3a yb para M ₁ y M ₂ , la transición electrónica no solo tiene lugar entre los átomos vecinos más cercanos, sino también entre los átomos vecinos más próximos. Del mismo modo, cuando se aplica el dopaje doble N para M ₃ –M ₆ en la Fig. 3c-f, ocurre una transición electrónica más rica a los siguientes átomos vecinos más cercanos.

(Color en línea) Las vías de transmisión del N-dopaje AγGYNR como M ₁ –M ₆ con cuatro cadenas moleculares periódicas denominadas D en la región central. En las vistas de a - f , los colores de las flechas de conexión entre dos átomos dan la dirección de salto de la transmisión de electrones de acuerdo con la barra de color dibujada, y los diferentes colores sucesivos corresponden a una serie de ángulos diferentes. El umbral se toma como 0,05

Además, continuamos concentrándonos en la región de dispersión central de las cadenas moleculares, encontrando que la siguiente transición electrónica más cercana se usa para tener lugar alrededor de los átomos de N para todos los modelos mostrados en la Fig. 3. Entonces, el dopaje N juega una acción importante en la transición electrónica, que contribuye a producir una corriente más fuerte en la Fig. 4. Más interesante, la mayoría de las vías de transmisión se localizan en el C ₆ anillos de AγGYNR, lo que indica que C ₆ dopado con N Los anillos rastrean una contribución principal para estas nanouniones. En la columna izquierda de la Fig. 3 para M ₁ , M ₃ y M ₅ , las vías de transmisión exhiben una distribución simétrica durante las cadenas moleculares. Pero para M ₂ , M ₄ y M ₆ en la columna de la derecha, se comportan tendencias de transición electrónica más débiles en la cuarta molécula de la región de dispersión, como se muestra en la Fig. 3b, dy f. Por tanto, una cadena molecular más larga por encima de cuatro superunidades repetidas no es adecuada para funcionar en estas uniones típicas. Especialmente, las vías de transición electrónica para M ₅ en la Fig. 3e distribuyen más posibilidades de canales de transporte que los demás. La retrodispersión de electrones tiende a ser mejorada en el borde superior de las cadenas moleculares debido a la existencia de átomos de doble N-dopaje para M ₅ y M ₆ en la Fig. 3e y f. En consecuencia, el N-dopante pone en juego la influencia vital en el transporte de carga de las uniones AγGYNR. Además, las distribuciones asimétricas de las vías de transmisión para M ₂ y M ₆ en la Fig. 3b yf es posible mostrar algunos comportamientos físicos en curso. La discusión correspondiente es de interés para ser exhibida continuamente. A continuación, queremos mostrar las curvas actuales de estos cruces para encontrar fenómenos más interesantes.

(Color en línea) La corriente-voltaje ( I-V ) características de los AγGYNR ( a ) sin dopaje N o con dopaje N único como se muestra en b M ₁ y c M ₂ para las cuatro cadenas moleculares diferentes como A – D. El I-V curva de AγGYNR con las cuatro cadenas moleculares periódicas como D para d M _0D –M _2D o e M _3D –M _7D . f El I-V curva de AγGYNR para las cuatro cadenas moleculares diferentes como A – D para M ₆

Para comprender mejor las propiedades de transporte de estas uniones de dos sondas, calculamos el I-V curvas para las uniones AγGYNR con cuatro cadenas moleculares diferentes de diferentes longitudes en la Fig. 4. Como enfocamos nuestro trabajo en las estructuras producidas de las posiciones instituidoras de N, el efecto sobre la longitud de las cadenas moleculares sobre las propiedades de transporte dependientes de la estructura no ha sido explícitamente considerado. El dispositivo prístino para M ₀ ha sido investigado en la Fig. 4a. Hay un voltaje umbral de ~ 1.2 V, por debajo del cual la brecha de conductancia aumenta con el aumento del voltaje de polarización, como resultado del desplazamiento de las estructuras de banda (ver Fig. 2a) en los cables izquierdo y derecho. Por lo tanto, existe una corriente terriblemente débil para cuatro dispositivos como M _0A –M _0D en el recuadro de la Fig. 4a (para mayor claridad, el diagrama del I-V la curva se ha ampliado en el rango de polarización [0, 1,0 V]). Cuando el voltaje aplicado es superior a 1,2 V, podemos descubrir que cuanto más larga es la cadena molecular, la corriente es más débil, lo que implica que la cadena molecular podría impedir el salto de electrones de los electrodos de izquierda a derecha. La explicación correspondiente se muestra en la Fig. 5a, lo que nos permite concentrarnos en el pico de transmisión cerca del E _F ya que la corriente se debe en gran medida al pico de transmisión [18, 20]. El espectro de transmisión de M _0A rastrea varios picos alrededor del nivel de Fermi; por el contrario, el pico de transmisión se vuelve cada vez más bajo desde M _0A a M _0D con el aumento de la longitud del enlace molecular. Para mayor claridad, el recuadro de la Fig. 5a muestra el pico de amplificación para M _0C y M _0D se refiere a dar cuenta de la reducción de la corriente. De hecho, el AγGYNR prístino no es un electrodo perfecto para construir una unión de espín (electrónica); Es necesario considerar aquí la cuestión de la posición N-instituyente.

(Color en línea) Los espectros de transmisión calculados de AγGYNR con polarización cero a sin o b - d con varios modelos de dopaje N en los nanocables moleculares horizontales, donde la celda unitaria repetida correspondiente se muestra en la Fig. 1. a Los espectros de transmisión para AγGYNR no dopantes para M ₀ incluyendo cuatro cadenas moleculares con diferentes longitudes moleculares para A – D; el color de las líneas continuas de la figura es coherente con el de la figura 2a. El recuadro es la vista parcialmente ampliada de la vista principal donde el espectro de transmisión es inferior a 0,1. Del mismo modo, las líneas continuas en b son consistentes con aquellas líneas con colores comunes en la Fig. 2d para M _0D –M _2D y las líneas continuas en c / d corresponden a los de la Fig. 2e para M _3D –M _7D , respectivamente

Cuando los dispositivos están dopados con un solo átomo de N en la posición 1 (M ₁ ) o 2 (M ₂ ), respectivamente, ocurre la situación opuesta, y notamos que todas las corrientes aumentan en la Fig. 4b y c. La corriente obtiene un gran valor bajo V ≤ 1,2 V, y disminuye con el aumento del sesgo para el dispositivo M _1A –M _1D en la Fig. 4b. Tenga en cuenta que el comportamiento obvio de NDR se puede observar con la caída de la corriente que se produce entre 0,6 y 1,6 V.Un I-V similar curva mostrada que el efecto NDR también se encuentra para M _2B en la Fig. 4c. El máximo de la relación pico a valle (PVR) puede alcanzar hasta 5,6. Sin embargo, las otras curvas manifiestan diferentes características interesantes que se originan en la vía de transporte asimétrica en la Fig. 3b, lo que posiblemente podría resultar en un nuevo efecto físico discutido más adelante.

Además, para comparar la influencia del dopante, graficamos el I-V curvas de M ₀ , M ₁ y M ₂ con una cadena de cuatro moléculas repetidas en la Fig. 4d, lo que indica que el dopaje N único de AγGYNR puede mejorar eficazmente el transporte de carga que conduce a una corriente fuerte. Por lo tanto, los valores de la línea roja (para M _1D ) y la línea azul (para M _2D ) son más grandes que los de la línea negra (para M _0D ). Visto en la Fig. 5b, el pico de transporte de M _1D se extiende al rango de energía de - 0.26 eV ≤ E ≤ 0,8 eV, lo que contribuye a que el electrón fluya a través de la región de dispersión central. Existe un pico de transporte agudo alrededor del nivel de Fermi para M _2D (la línea azul) que es un poco más baja que la anterior; como resultado, aparece una curva de corriente relativamente más débil. Ciertamente, cero brecha de transporte para M _0D (ver la línea negra en la Fig. 5b) da como resultado un valor de corriente casi cero. Aunque existen muchos picos de transporte en E > 1.0 eV, tienen una pequeña contribución para la propiedad de transporte del dispositivo basado en AγGYNR. Por lo tanto, el dopaje N simple es un método eficaz para promover la dispersión y el salto de electrones en nuestras nanouniones diseñadas.

Cuando los dispositivos prístinos están dopados con átomos dobles de N, los resultados computacionales sugieren que la corriente total varía con las posiciones sustituidas de los dopantes para la modificación química. La Figura 4e muestra que las corrientes de M _4D y M _5D son más grandes que los tres de 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