石墨烯納米帶熱電性質(zhì)及其調(diào)控的第一性原理研究.pdf

1、近年來，隨著納米技術(shù)和原子操控技術(shù)的快速發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在納米尺度下材料具有完全不同于塊體材料的奇異電學(xué)、熱學(xué)和熱電性質(zhì)。這些奇異性質(zhì)吸引了越來越多的實(shí)驗(yàn)和理論工作者的關(guān)注。本論文利用第一性原理與非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的方法系統(tǒng)研究了石墨烯納米帶中的熱電性質(zhì)及其調(diào)控。主要內(nèi)容如下:
　　首先，我們利用第一性原理與非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的方法，研究了5-7缺陷對(duì)(PHD)對(duì)石墨烯納米帶熱輸運(yùn)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明5-7缺陷對(duì)對(duì)扶手椅型石墨烯

2、納米帶中熱導(dǎo)的影響要強(qiáng)于鋸齒型的，同時(shí)聲子模的不匹配也會(huì)對(duì)聲子產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射。特定頻率ω0下的垂直平面的聲學(xué)模會(huì)被5-7缺陷對(duì)完全散射，這時(shí)可在扶手椅型石墨烯納米帶中觀察到順時(shí)針和逆時(shí)針的熱流環(huán)。體系中的熱導(dǎo)比率僅與5-7缺陷對(duì)的取向有關(guān)，而與石墨烯納米帶的寬度無(wú)關(guān)。當(dāng)石墨烯納米帶中的缺陷對(duì)數(shù)目達(dá)到40時(shí)，超過97％的入射聲子會(huì)被散射掉。這些結(jié)果有助于設(shè)計(jì)高性能的納米熱阻或者熱電器件。
　　運(yùn)用密度泛函理論研究了磁性原子(MA)對(duì)

3、鋸齒型石墨烯納米帶(ZGNR)電子能帶結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，由于磁性原子的影響，一部分自旋向上（下）的電荷會(huì)從納米帶的一側(cè)流向另一側(cè)，同時(shí)自旋電荷在沿著ZGNR方向具有自旋相干性，窄的ZGNR的能帶會(huì)被打開。但在寬的ZGNRs中，一部分自旋電荷在磁性原子的影響下會(huì)為了降低自身能量發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這將使有磁性原子一側(cè)的能帶被打開而另一側(cè)的能帶則保持不變。這些結(jié)果表明通過在邊緣碳原子上施加/移除磁性原子，可使窄的ZGNR在金屬和半導(dǎo)體間轉(zhuǎn)換，而在

4、磁性原子和門壓的雙重作用下，寬的ZGNR會(huì)呈現(xiàn)自旋向上（下）的半金屬性。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在磁性原子的作用下，窄的ZGNRs中的塞貝克系數(shù)會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)、放大，這為設(shè)計(jì)優(yōu)良的熱電器件提供了一種可行的方法。
　　研究了石墨烯納米帶/單壁碳納米管(GNR/CNT)分子結(jié)中的電子輸運(yùn)性質(zhì)。由于最高占據(jù)態(tài)軌道(HOMO)和最低未占據(jù)態(tài)軌道(LUMO)在正負(fù)偏壓下的離域性不同，ZGNR/(6，6)CNT(金屬-半導(dǎo)體(M-S)型）分子結(jié)呈現(xiàn)出較

5、強(qiáng)的整流效應(yīng)，而AGNR/(10，0)CNT(半導(dǎo)體-半導(dǎo)體(S-S)型）分子結(jié)的整流效應(yīng)則比較弱。同時(shí)由于兩種分子結(jié)的HOMO和LUMO會(huì)隨著門壓的升高而趨于局域，使它們呈現(xiàn)出典型的p型半導(dǎo)體的性質(zhì)。這些結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相吻合。進(jìn)一步研究了化學(xué)鍵和橋原子的質(zhì)量對(duì)扶手椅型石墨烯納米帶(AGNR)熱電性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，橋原子的質(zhì)量對(duì)聲子散射起主要作用。由于橋原子越重越難以發(fā)生振動(dòng)，AGNR中的聲子熱導(dǎo)會(huì)隨著橋原子質(zhì)量的增加而降低，

6、這種關(guān)系可通過一個(gè)簡(jiǎn)單的等式進(jìn)行描述。另一方面，橋接原子對(duì)AGNR的電學(xué)性質(zhì)影響較小。在一定溫度范圍內(nèi)(100K-500K)，AGNR的ZT因子會(huì)隨著溫度的升高而升高，最高可達(dá)到0.8。隨著溫度的繼續(xù)升高(500K-800K)，由于電子熱導(dǎo)的急劇升高，AGNR中的ZT因子最大值會(huì)隨著溫度的升高而減少。這些結(jié)果表明橋原子可用來提高石墨烯納米帶的熱電性能。
　　在上述工作的基礎(chǔ)上，我們研究了由邊緣的金原子鏈連接的鋸齒型石墨烯納米帶(4

7、ZGNRnAu)的熱電性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)，由于金原子對(duì)聲子的強(qiáng)烈散射作用，室溫下4ZGNRnAu中的聲子熱導(dǎo)與4ZGNR中的聲子熱導(dǎo)比值η低至5％。另一方面，由于4ZGNR邊緣態(tài)中的電子可以通過次最高占據(jù)態(tài)軌道HOMO-1和最低未占據(jù)態(tài)軌道LUMO傳輸，4ZGNRnAu中位于費(fèi)米能級(jí)附近的電子透射則不受原子鏈的影響。因此室溫下4ZGNRnAu的ZT超過了1，而且最大的ZT在溫度達(dá)到500K時(shí)達(dá)到2.3735。同時(shí)，ZT最大值隨著原子鏈的長(zhǎng)度