01引言?

2013年，Bianco等通過CaGe2拓撲化學剝離的方法，首次在實驗上合成了具有較高熱穩定性和抗氧化性的單層鍺烷。鍺烷因其合適的帶隙、較高的電子遷移速率、較好的環境穩定性、較小的電噪聲和超薄的幾何結構，有望取代現有硅基或鍺基材料成為下一代半導體器件的理想載體。目前，成熟的脫氫技術已可實現較為精確可控的氫缺陷調制，這有利于脫去鍺烷特定位置和特定數量的氫原子。尤其值得關注的是，脫氫還往往會誘導體系產生磁性，而具有可調控的磁性是量子信息器件應用的前提。因此，采用脫氫的方式調控鍺烷的電子性質仍具有較大的優勢。盡管如此，鍺烷基半導體器件在實際應用中仍面臨許多挑戰，其中一個重大挑戰便是如何實現有效且安全可控的載流子摻雜。而傳統的半導體摻雜很容易破壞僅有原子層級別厚度的二維半導體材料。相比之下，在不損壞襯底材料的前提下，表面非共價吸附分子是一種安全有效的載流子摻雜方式。基于以上的考慮，本文系統研究了氫空位簇對鍺烷電子結構的調控以及鍺烷中分子摻雜的影響。

02成果簡介

本文基于密度泛函理論和非平衡格林函數的第一性原理方法，使用鴻之微的DS-PAW和Nanodcal軟件研究了不同構型和濃度的氫空位簇對鍺烷電子結構及鍺烷中Tetrathiafulvalene (TTF)分子摻雜性能的影響。計算結果表明，不同構型氫空位簇的引入可誘導GermananeDehydrogenated-xH(GD-xH)體系產生不同性質的磁性，且磁矩大小亦與Lieb定理的預測結果相符，并能在GD-xH/TTF (x=1,4, 6)體系自旋向下的能帶結構中實現由缺陷態引起的類p型半導體摻雜效應，其電子激發所需的能量則會隨著體系脫氫濃度的升高而不斷降低。吸附TTF分子后，G/TTF和GD-xH/TTF(x=1, 2, 6)體系表現出分子摻雜效應，且GD-xH/TTF (x=1, 6)體系因分子軌道與缺陷態的雜化作用，可在自旋向上與自旋向下的能帶結構中形成不同的摻雜類型。進一步的量子輸運計算還表明，Armchair和Zigzag類型的鍺烷基器件表現為明顯的各向同性，且TTF分子吸附所導致的載流子摻雜可大幅提高其I-V特性。

03圖文導讀

圖1鍺烷中典型的四種氫空位簇構型俯視圖：(a) GD-1H；(b) GD-2H；(c) GD-4H；(d) GD-6H，藍色、綠色小球分別代表Ge和H原子

圖2 (a)-(e)鍺烷和不同氫空位簇鍺烷GD-xH(x=1, 2, 4, 6)體系對應的能帶結構; (f) Eg, Ep和體系磁矩隨脫氫濃度的變化

圖3G/TTF和GD-xH/TTF (x=1, 2, 4, 6)最佳吸附構型的俯視圖和側視圖：(a) H2-site;(b) V2-side, (c) B2-side, (d) H2-side, (e) V2-side.藍色、綠色、紅色和棕色小球分別代表Ge、H、S和C原子

圖4 (a) G/TTF和(b)-(e) GD-xH/TTF (x=1, 2, 4, 6)體系對應能帶結構，其中綠色和粉色平帶分別代表由TTF分子貢獻和脫氫處的Ge原子貢獻，橙色平帶代表由TTF分子和脫氫處Ge原子共同貢獻；(f) Eg, En, Ep和體系凈磁矩隨脫氫濃度的變化

圖5 G/TTF體系和GD-xH/TTF (x=1, 2, 4, 6)體系的HOMO和LUMO.等值面設為0.004e/?3

圖6 (a)-(e) G/TTF和GD-xH/TTF (x=1, 2, 4, 6)體系的差分電荷密度俯視和側視圖.青色和黃色分別代表失電荷和得電荷.等值面設為(a) 0.0002 e/?3, (b)-(e) 0.001 e/?3

圖7 (a)-(b)基于Armchair和Zigzag構型的鍺烷基納米器件模

圖8 (a)-(b) Armchair和Zigzag類型的鍺烷器件模型的電子透射譜和態密度圖.藍色實線表示透射譜曲線，綠色虛線表示態密度

圖9 (a)-(d)本征鍺烷、G/TTF和GD-xH/TTF (x=1, 2)基器件的I-V特性曲線

04 小結

本文使用鴻之微的DS-PAW和Nanodcal軟件，研究了不同構型和濃度的氫空位簇對鍺烷的電子結構及其TTF分子摻雜效應的影響，并基于非平衡格林函數計算了對應的鍺烷基納米器件的電子輸運特性。研究結果表明，引入氫空位簇可以有效地調控體系的磁性和能帶結構，且磁矩大小符合Lieb定理預測分析，并可在具有磁性的GD-xH(x=1, 4, 6)體系自旋向下的能帶結構中形成由缺陷態引入的類p型摻雜效應。吸附TTF分子后，不同于G/TTF和GD-2H/TTF體系中形成的n型分子摻雜效應，GD-xH/TTF(x=1, 6)體系在分子軌道與缺陷態的共同作用下，可在自旋向上與自旋向下的能帶結構中分別形成n型與p型兩種不同的摻雜效應。而GD-4H/TTF體系中的類n型或類p型摻雜效應仍由氫空位簇的缺陷態引入。進一步的量子輸運計算結果表明，Armchair和Zigzag構型的器件輸運特性都表現出了明顯的各向同性，而吸附TTF分子能極大地改善器件的I-V特性曲線。

審核編輯：劉清