电荷输运机制

表1

几种电荷输运机制的能带示意图，电流特性公式及电流对温度、电压的依赖关系

q ：电子电荷；V ：外加电压；k ：波尔兹曼常数；n ：理想因子；I s ：饱和电流；J s =I s /A εr ：相对介电常数；ε0：真空介电常数；L ：阴阳两极间距离

输运机制

能带示意图

电流特性公式

温度依赖性

电压依赖性

文献

直接隧穿

()()21122222exp 2q V d

I S m m d ααϕϕ-⎛⎫= ⎪

⎝⎭

none I V ∝

G 1

Fowler

–Nordheim

隧穿

*3232*42()exp 83FN

m Smq I E hm hqE ϕπϕ⎛⎫

=- ⎪ ⎪⎝⎭

none

()2ln 1I V V

∝G 2

Schottk y

发射效应 ()2120exp /I SAT e E kT βφ=- ()2ln 1I T T

∝()1

2

ln I V

∝

G 3

Poole-F rankel 效应

00

()exp PF q qE SV I d kT ϕπεεσ⎛⎫-=

- ⎪ ⎪⎝⎭

()ln 1I T ∝

()1

2

ln I V V

∝

G 4

Hopping

传导

0exp(-)a E S

I V d kT

σ=

()ln 1I V T ∝

I V ∝

G 5

SCLC 效

应

2

3

98S S V I d

εμθ= none

n

I V ∝

G 6

Standar d diode

方程

W d

Mott-Gu rney law

none

J

1/2

V

I

-V

欧姆传导

None

有

用sclc

理解薄膜中电荷的输运机制对于分子电子器件的应用具有重要意义，例如分子二极管、分子晶体管和分子存储元件等。因此，关于金属电极薄膜中电荷的输运机制的研究已成为纳米材料研究中倍受关注的热点课题。电荷在金属电极-薄膜-金属电极结构中的输运机制主要有直接隧穿、Fowler –Nordheim 隧穿、Schottky 发射效应、Poole-Frankel 效应、跳跃传导（Hopping conduction ）及空间电荷限制（SCLC ）效应六种，各种输运机制的能带示意图，电流特性公式及电流对温度、电压的依赖关系如表1所示。

直接隧穿和Fowler –Nordheim 隧穿属于非共振遂穿，电流大小均和温度无关，其中直接隧穿适用于小电压范围（eV φ<），电流和电压呈线性关系；Fowler –Nordheim 隧穿适用于较高电压范围（eV φ>），()2ln I V 和1V 呈线性关系。在小电压范围，美国耶鲁大学Reed G7研究组利用直接隧穿模型研究了饱和烷硫醇自组装薄膜器件在变温条件下的电荷输运机制，并推算出势垒高度φ及衰减系数β。清华大学陈培毅教授G8等也对烷基硫醇饱和分子结中的电荷输运进行了研究，证实了隧穿为饱和分子结中的主要电荷输运机制。中国科学技术大学王晓平G9研究组研究了自组装硫醇分子膜输运特征的压力依赖性，分析表明自组装硫醇分子膜输运特征的压力依赖性也主要源于电荷在分子膜中的链间隧穿过程。在较高电压范围，韩国光州科学研究院Lee G10等观察到饱和烷硫醇自组装薄膜器件电流输运机制由直接隧穿转变为Fowler –Nordheim 隧穿,并研究了不同条件下过渡电压的变化规律。中科院上海微系统与信息技术研究所董耀旗

G11

等基于分栅闪存存储器的结构，对多晶硅/

隧穿氧化层/多晶硅非平面结构的F-N 隧穿进行了研究。天津大学胡明教授G12

等在研究碳纳米管场发射性能时

认为其至少在某一电流密度范围内属于Fowler –Nordheim 遂穿。直接隧穿和Fowler –Nordheim 隧穿是饱和烷烃自组装薄膜中最常见的两种输运机制，然而对于π共轭分子，由于禁带宽度较小，则有可能是近似共振隧穿机制。

Schottky 发射效应是指在一定温度下, 金属中部分电子将获得足够的能量越过绝缘体的势垒，此过程又称为热电子发射，由电流特性公式可知()2ln I T 和1T 、()ln I 和12

V

均呈线性关系。美国匹兹堡大学Perello G13

等研究碳纳米管器件时观察到Schottky 发射效应并推算出Schottky 势垒。北京工业大学聂祚仁G14研究组也通过Schottky 发射效应分析研究了纳米复合W-La 2O 3材料的I-V 曲线并计算了材料的有效逸出功。

如果介质层包含有非理想性结构, 如不纯原子导致的缺陷, 那么这些缺陷将扮演电子陷阱的作用, 诱陷电子的场加强热激发将产生电流，此即为Poole-Frankel 效应。电流对温度和电压的关系为

()ln 1I ∝和()1

2ln I V V ∝。西安电子科技大学汪家友教授

G15

等在研究a-C ：F 薄膜电学性能时观察到薄

膜在高场区符合Poole-Frankel 机制。如果介质层缺陷密度很大, 电子的输运将由跳跃传导控制，此时，电流和电压呈线性关系且()ln 1I V ∝。美国耶鲁大学周崇武

G16

等研究Au/Ti/4-thioacetylbiphenyl/Au

分子结时观察到，在负偏压且偏压较小时即属于跳跃传导机制。新加坡国立大学Nijhuis G17等在研究Ag TS SC 11Fc 2Lee, W. Y. Wang, M. A. Reed. Mechanism of Electron Conduction in Self-Assembled