氮掺杂与空位缺陷协同应变调控锯齿形石墨烯纳米带电子能带结构及输运特性的机理研究

本研究针对锯齿形石墨烯纳米带(ZGNRs)在自旋电子器件应用中缺陷-应变协同调控机制不明的问题，采用密度泛函理论(DFT)与非平衡格林函数(NEGF)算法，系统研究了氮掺杂(N-doping)、空位缺陷(vacancies)与拉伸应变(tensile strain)对ZGNRs能带结构和输运特性的杂交效应。研究发现氮掺杂可打破自旋简并态，空位缺陷显著改变导电通道，而应变进一步调制电子传输特性，通过电流-电压(I-V)曲线、电导率、自旋极化率和透射谱证实了缺陷-应变协同调控对自旋输运的可编程性，为碳基自旋逻辑器件设计提供了理论依据。

　　

在纳米电子器件领域，锯齿形石墨烯纳米带(ZGNRs)因其边缘局域的自旋极化态被视为下一代自旋电子器件的理想候选材料。然而，实际应用中存在两个关键挑战：一是本征ZGNRs的自旋简并特性限制了自旋极化电流的产生；二是器件加工过程中不可避免会引入空位缺陷和晶格应变，这些因素如何协同调控电子行为尚不明确。现有研究表明，单独研究氮掺杂或应变效应的文献较多，但对缺陷杂交作用的认识仍存在空白。

杭州技术研究院的研究团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表的研究中，创新性地将密度泛函理论(DFT)与非平衡格林函数(NEGF)算法结合，系统考察了石墨型氮(graphitic N)、四氮空位(4NV)和四氮取代(4ND)三类缺陷与拉伸应变的协同效应。通过计算应变能曲线确定了纳米带的弹性变形范围，并首次揭示了缺陷-应变耦合对自旋输运通道的调制规律。

关键技术方法包括：采用Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函的广义梯度近似(GGA)进行自旋极化DFT计算；利用Nanodcal软件进行几何优化（能量收敛阈值1×10^?5
eV，原子受力<0.01 eV·?^?1
）；通过NEGF算法计算不同偏压下的传输特性；分析参数涵盖电流-电压(I-V)曲线、电导量子(conductance quantum)、自旋极化率(spin polarization rate)和透射谱(transmission spectra)。

能带结构分析
研究发现：1）原始ZGNR呈现自旋简并的金属性态；2）氮掺杂后，4ND体系在费米能级附近产生0.38 eV自旋劈裂，而4NV导致导带下移0.21 eV；3）拉伸应变使4NV体系的空位相关态向费米能级移动，在6%应变时产生0.12 eV新带隙。

输运特性研究
1）电流特性：在0.5V偏压下，4ND体系的电流比原始ZGNR提高3倍，而4NV体系呈现非线性整流效应；2）自旋极化：4ND在1V偏压时达到92%的自旋极化率，应变可将其调控至78%-95%范围；3）透射谱显示氮掺杂引入的杂质态在0.3-0.5eV能量区间形成新传输通道。

结论与意义
该研究证实：1）边缘氮掺杂比石墨型氮更能有效打破自旋简并；2）空位缺陷与氮原子形成的吡啶型配位结构(pyridinic configuration)是调控自旋选择性的关键位点；3）应变通过改变C-N键长（优化至1.42?）可精确调节自旋极化电流。这些发现为设计应变响应型自旋过滤器提供了新思路，特别是提出的"缺陷工程-应变工程"协同调控策略，可应用于开发低功耗、高集成度的碳基量子器件。

值得注意的是，研究还发现氮掺杂位置对器件性能具有决定性影响：边缘掺杂比体相掺杂更有利于保持结构稳定性，这与Bronner等实验观察到的带隙不变现象相吻合。该工作建立的DFT-NEGF多尺度计算方法，为复杂缺陷体系的输运特性预测提供了可靠范式。