碳和氫鍵構(gòu)成了生命的主干；以石墨烯的形式，可能被DNA核酸堿基功能化，這些為基于石墨烯的納米電子器件的可編程組裝帶來(lái)了希望。仍然不知道這種器件中固有的氫鍵結(jié)如何作為電子傳輸介質(zhì)。在這里，我們?cè)O(shè)計(jì)了核堿基鍵合的石墨烯納米帶，并使用第一性原理計(jì)算量化了它們的量子傳輸特性。發(fā)現(xiàn)了明顯的整流行為和負(fù)微分電阻，以及某些結(jié)構(gòu)的高電導(dǎo)，鳥(niǎo)嘌呤-胞嘧啶連接通常優(yōu)于腺嘌呤-胸腺嘧啶連接。電導(dǎo)對(duì)界面原子細(xì)節(jié)的敏感性為實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)提供了初步的提示和指導(dǎo)。開(kāi)/關(guān)比為10
2時(shí)，電流與靜電柵極摻雜的關(guān)系顯示了該結(jié)作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的潛力。
圖1. 堿基鍵合 GNR 的幾何形狀和用于傳輸計(jì)算的裝置。(a)兩個(gè) GNR (象征性的 GNR-A…T-GNR)的 A 和 T 功能化邊之間的交錯(cuò)接口。陰影矩形區(qū)域(六排椅子寬)的原子構(gòu)成了電子輸運(yùn)計(jì)算中的電極。電極外面的原子是緩沖層。(b)與(a)中的原子相同，但是是通過(guò) G-C 對(duì)接觸的。(c，d)分別與(a)和(b)相似，但對(duì)于端到端的直 GNR 構(gòu)型，堿基附著在扶手椅邊緣上。
圖2. (a)四種不同類型的堿基附著物(通過(guò)厚度表示突出顯示，以及相應(yīng)的2-位標(biāo)記)與 ZGNR 的側(cè)接觸中的 G-C 對(duì)的幾何形狀(參見(jiàn)圖1a，b)。(b)在(a)項(xiàng)中計(jì)算出的 I-V 曲線。(c) PDOS的G- 和 C- 堿基原子。能量是相對(duì)于費(fèi)米水平 E
F 測(cè)量的。(d)對(duì)于01接觸的能量為 -0.05和0.02 eV 的狀態(tài)的波函數(shù)，對(duì)應(yīng)于 G和C的PDOS中 E
F，由 箭頭(c)表示(等表面顏色由波函數(shù)符號(hào)編碼: 正，紅; 負(fù)，藍(lán))。
圖3. (a)四種不同類型的堿基附著(通過(guò)厚度表示突出顯示，以及相應(yīng)的2-位標(biāo)記)與 ZGNR 的側(cè)接觸中的 A-T 對(duì)的幾何形狀(參見(jiàn)圖1a，b)。(b)在(a)項(xiàng)中計(jì)算出的 I-V 曲線。(c)在 A 堿和 T 堿原子上的 PDOS。能量是相對(duì)于費(fèi)米能級(jí) E
F 測(cè)量的。(d)對(duì)于01接觸能量為 -0.05和0.03 eV 的狀態(tài)的波函數(shù)，對(duì)應(yīng)于 E
F 附近的 A 和 T PDOS 峰，如(c)中的箭頭所示(等值面由波函數(shù)符號(hào)顏色編碼: 正，紅色; 負(fù)，藍(lán)色)。
圖4. 計(jì)算的局部傳輸(鍵電流，紅色箭頭網(wǎng)絡(luò))覆蓋在由兩個(gè)核堿基對(duì)結(jié)合的 GNR 的幾何形狀上: (a)兩個(gè) G-C 對(duì); (c) A-T和G-C 對(duì)的組合。在(a)和(b)兩個(gè)幾何圖形旁邊繪制等效電路圖。(c)在0.1 V 的偏壓下，(a)中的雙 G-C 結(jié)平面上的靜電勢(shì)降(eV)。(d)計(jì)算(a)中的雙 G-C 結(jié)，雙 A-T 結(jié)(未顯示)以及(b)中的 A-T 和 G-C 對(duì)的組合的 I-V 曲線。在(a)中以0.1 V 和(b)中以0.06 V 的偏壓計(jì)算鍵合電流。
圖5. 端到端接觸和 I-V 曲線的結(jié)構(gòu): (a) A-T; (b) G-C。四種不同類型的核堿基 -GNR 結(jié)構(gòu)被考慮，如在相應(yīng)的頂部圖像所示。局部結(jié)構(gòu)表示黑色虛線區(qū)域中的結(jié)構(gòu)，并分別連接到圖1c，d 中的8層 ZGNRsasin。注意(b)中當(dāng)前軸的數(shù)量級(jí)。
圖6. (a) GNR 連接(由 aG-C 對(duì)形成，圖1b)誘導(dǎo)的旁門(mén)(藍(lán)板)的原理圖。(b)不同摻雜水平的 G-C01連接的 I-V 曲線(圖例，單位為10
13cm
-2)。(c，d)分別為1.6 × 10
13和 p = 3.2 × 10
13cm
-2的 PDO 軟連接。
相關(guān)科研成果由塔伊夫大學(xué)Boris I. Yakobson等人于2022年發(fā)表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.2c06274）上。原文：Nucleobase-Bonded Graphene Nanoribbon Junctions: Electron Transport from First Principles。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
