石墨烯晶界結(jié)構(gòu)及力電特性的第一性原理研究.pdf

1、石墨烯是具有六角晶格的碳的二維形式，由于自身優(yōu)異的物理性質(zhì)而吸引了科研工作者的極大興趣，是近年來物理、化學(xué)、材料以及生物等領(lǐng)域的研究熱點之一。石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄最強的材料，具有獨特的光學(xué)性質(zhì)，優(yōu)良的熱傳導(dǎo)特性，以及超快的載流子傳導(dǎo)率等。因此，石墨烯在超級電容器、傳感器以及存儲器等方面具有極大的應(yīng)用前景，也被認(rèn)為是硅基器件的最佳未來替代品。然而，在目前的實驗室化學(xué)氣相沉積法制備中，通常得到含有晶粒和晶界的多晶石墨烯。因此，晶界效應(yīng)是石

2、墨烯材料走向應(yīng)用過程中必需考慮的問題之一。
　　基于此，我們系統(tǒng)研究了包含對稱和非對稱情況、周期長度在1.8nm以內(nèi)的石墨烯晶界?；诿芏确汉碚撚嬎悖疾炝耸┚Ы绲慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，及其對力學(xué)、電子以及輸運性質(zhì)的影響。根據(jù)五元環(huán)和七元環(huán)缺陷的排布，將石墨烯晶界從結(jié)構(gòu)上分為四大類。闡明了晶界的形成能和晶向偏轉(zhuǎn)角以及彎曲角的函數(shù)依賴關(guān)系。分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶界的周期分布長度超過1nm時，非對稱性晶界具有較好的穩(wěn)定性。本工作中引入的非對稱晶界，

3、能夠有效的幫助指認(rèn)實驗觀測結(jié)果。
　　通過分析石墨烯晶界的電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)大部分晶界上的缺陷環(huán)都會導(dǎo)致電子的聚集，進而使得石墨烯態(tài)密度在費米能級附近增強。然而由于缺陷導(dǎo)致的石墨烯彎曲效應(yīng)，晶界上出現(xiàn)部分碳原子從sp2向sp3轉(zhuǎn)換，可以導(dǎo)致打開最高為0.5 eV的帶隙。非平衡輸運計算表明晶界可以有效地降低載流子通過的透射系數(shù)，這是導(dǎo)致實驗上觀察到晶粒間電阻升高的主要原因之一。對于可以屏蔽部分能量區(qū)間的晶界，能量范圍的大小主要依賴于晶界

4、兩側(cè)的平移矢量對關(guān)系，具體的缺陷分布也有一定的影響。
　　晶界的引入同時會導(dǎo)致石墨烯力學(xué)強度的下降。我們系統(tǒng)考察了晶界對石墨烯力學(xué)強度和斷裂行為的影響。研究發(fā)現(xiàn):除了晶向偏轉(zhuǎn)角度之外，石墨烯的力學(xué)本征強度還線性依賴于彎曲角，而且這種依賴關(guān)系和溫度的變化無關(guān)。同時，對于平坦的石墨烯，發(fā)現(xiàn)其本征強度隨著其穩(wěn)定性的減弱而下降。和低溫時直接的斷鍵不同，我們發(fā)現(xiàn)高溫下Stone-Wales翻轉(zhuǎn)為主的單軸拉伸斷裂機制。對于雙層石墨烯，其力學(xué)本

5、征強度和旋轉(zhuǎn)角有一定的依賴關(guān)系。雙層石墨烯晶界的力學(xué)本征強度主要決定于含有晶界的石墨烯層，和單層石墨烯晶界表現(xiàn)出類似的行為。
　　具有不同物理性質(zhì)的二維單層材料的異質(zhì)接觸，具有廣泛的應(yīng)用前景。在對石墨烯晶界研究的基礎(chǔ)上，我們研究了石墨烯和六角氮化硼層內(nèi)接觸的缺陷界面的結(jié)構(gòu)以及其對電子性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)Clar規(guī)則對于界面的穩(wěn)定性，電子結(jié)構(gòu)以及帶偏移都有非常大的影響。具有符合Clar規(guī)則界面的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，都呈現(xiàn)出半導(dǎo)體性質(zhì)。我們還發(fā)