調(diào)制石墨烯結(jié)構(gòu)特性的第一性原理研究.pdf

1、石墨烯作為一種新穎碳基材料因其具有豐富的電學(xué)性質(zhì)、奇異的量子特性以及廣闊的應(yīng)用前景，成為了近年來理論和實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算能力的持續(xù)增長，運(yùn)用基于第一性原理密度泛函理論的計(jì)算軟件來模擬計(jì)算石墨烯已成為科學(xué)研究石墨烯的重要手段。本文采用基于密度泛函理論的Vienna Ab-initio Software Package(VASP)對石墨烯結(jié)構(gòu)的電學(xué)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。本文主要研究了彎曲Zigzag石墨烯納米帶(ZGNR

2、)的電磁性質(zhì)，然后通過邊緣氫化，施加單軸應(yīng)變，引入空位缺陷，摻雜硼氮(BN)結(jié)構(gòu)等調(diào)制，影響彎曲Zigzag石墨烯納米帶的電子分布，改變其電磁性質(zhì)。同時(shí)還研究了邊緣和橫向摻雜BN的Zigzag邊緣和Armchair邊緣的BCN石墨烯納米帶的電磁性質(zhì)。本文的具體研究內(nèi)容和所取得的研究結(jié)果如下:
　　(1)研究本征的ZGNR11和ZGNR12系列模型，以及對其氫化后的ZGNR11H和ZGNR12H系列模型，可知?dú)浠慕Y(jié)構(gòu)比本征的更穩(wěn)定

3、，平面結(jié)構(gòu)比彎曲結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，不同曲率的ZGNR都產(chǎn)生了自旋極化。本征結(jié)構(gòu)的邊緣碳原子擁有懸掛鍵而影響了整個體系的自旋極化特性，其中邊緣碳原子的P軌道對整個體系的自旋極化貢獻(xiàn)最大。氫化后使其失去懸掛鍵，自旋極化特性減弱了。研究對ZGNR11和ZGNR11H系列模型施加周期性方向的單軸應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)ZGNR11H系列模型對施加的應(yīng)變并不敏感，能帶結(jié)構(gòu)不受應(yīng)變影響。然而對于本征的ZGNR11SW06，施加壓縮和拉伸應(yīng)變時(shí)，其能帶結(jié)構(gòu)中的某些能級發(fā)

4、生了移動。研究對ZGNR11H系列模型引入單原子空位缺陷和雙原子空位缺陷，發(fā)現(xiàn)其自旋極化特性增強(qiáng)了。因缺少的原子數(shù)不成對，單空位缺陷模型的磁矩比雙空位缺陷的大，其中空位缺陷周圍的碳原子對體系的自旋極化特性貢獻(xiàn)最大。研究對ZGNR11H系列模型摻雜不同的BN結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)摻雜的BN改變了其電磁性質(zhì)，自旋極化特性增強(qiáng)了。
　　(2)研究單邊和雙邊摻雜BN的Zigzag石墨烯納米帶的電磁性質(zhì)，可知石墨烯納米帶邊緣摻雜BN原子后，產(chǎn)生了比本征

5、石墨烯納米帶更強(qiáng)的自旋極化特性，磁矩更大。單邊摻雜的自旋極化特性比雙邊摻雜的更明顯，磁性更大。通過研究橫向摻雜BN的Zigzag石墨烯納米帶的電磁性質(zhì)，可知石墨烯納米帶橫向摻雜BN原子后同樣產(chǎn)生了比本征石墨烯納米帶更強(qiáng)的自旋極化特性。隨著摻雜BN鏈數(shù)量的增多，自旋極化特性發(fā)生了變化，磁矩先減小后增大。摻雜一條BN鏈的ZGNR11C2BN1異質(zhì)結(jié)BCN納米帶結(jié)構(gòu)擁有更明顯的自旋極化特性，磁矩最大。純BN原子組成的納米帶結(jié)構(gòu)ZGNR11C0

6、BN3不僅是半導(dǎo)體，而且擁有磁性，將來可用于納米材料的自旋器件中。
　　(3)研究邊緣和橫向摻雜BN的Armchair石墨烯納米帶(AGNR)的電磁性質(zhì)，無論本征的還是邊緣摻雜BN的Armchair石墨烯納米帶的自旋極化特性都很微弱，幾乎沒有磁性。橫向摻雜2條BN鏈的AGNR10C1BN2產(chǎn)生了明顯的自旋極化，橫向摻雜1條BN鏈的AGNR10C2BN1雖然沒有產(chǎn)生自旋極化，但是其能帶中存在間接能帶帶隙，其結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為P型半導(dǎo)體。所以