形變與缺陷石墨烯電子性質(zhì)的第一原理研究.pdf

1、本文首先簡要地概述了石墨烯的研究現(xiàn)狀，扼要地闡述了基于非平衡態(tài)格林函數(shù)方法與密度泛函理論的第一性原理計算方法。以此為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地研究了幾種典型的形變和缺陷對石墨烯電子學(xué)性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)了非常有趣、極具新穎的一些規(guī)律特點，并結(jié)合恰當?shù)睦碚摚瑥奈锢肀举|(zhì)上對每個規(guī)律特點的形成機制逐一給出了合理的解釋。具體來講，得到了以下創(chuàng)新性成果:
　　首先發(fā)現(xiàn)了卷曲形變石墨烯納米帶電子結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律:鋸齒型石墨烯納米帶(ZGNRs)對卷曲形變不敏

2、感，只有當卷曲角度接近360°時，電子結(jié)構(gòu)有突變，導(dǎo)電能力下降;扶手型石墨烯納米帶(AGNRs)在240°以內(nèi)的卷曲形變，帶隙大小仍然滿足3P（P是一個整數(shù)）規(guī)律:Δ3p+1≥Δ3p＞Δ3p-1。3P-1類的AGNRs發(fā)生小于300°的卷曲時，帶隙隨卷曲角度增加而緩慢減小，當卷曲角度大于300°以后，帶隙迅速增大，經(jīng)歷半金屬至半導(dǎo)體的相變;3P+1類的AGNRs的帶隙隨卷曲角度增大而減小，卷曲300°前帶隙緩慢減小，300°以后帶隙迅速

3、減小，經(jīng)歷半導(dǎo)體至半金屬的相變;3P類的AGNRs對于卷曲形變響應(yīng)度不高，其帶隙隨著卷曲角度增加而略有增加。
　　其次，揭示了扭曲形變石墨烯納米帶的電子輸運規(guī)律:對于寬度N=3P和N=3P+1的半導(dǎo)體型AGNRs，電子輸運性質(zhì)對扭曲變形是敏感的，對于寬度N=3p-1的準金屬性AGNRs和ZGNRs，電子輸運性質(zhì)對扭曲變形是不敏感的。當扭角增大到120°時，寬度N=3P的中帶隙半導(dǎo)體型AGNRs的電導(dǎo)是逐漸減弱的，寬度N=3P+1的

4、寬帶隙半導(dǎo)體型AGNRs的電導(dǎo)卻變強的;而準金屬型AGNRs與ZGNRs，電導(dǎo)都很強，并嚴格遵從電阻歐姆定律，不受扭曲變形的影響。
　　再有，厘清了一維558線缺陷對ZGNRs的電子學(xué)性質(zhì)的影響特點:有一維線缺陷的ZGNRs的邊緣碳原子表現(xiàn)出強烈的自旋極化和鐵磁狀態(tài)，這種固有特性對線缺陷的位置比較敏感，可以明確地產(chǎn)生自旋過濾效應(yīng)，自旋過濾效應(yīng)還可由橫向電場明顯地調(diào)節(jié)和改進，這是因為電場對多數(shù)自旋電流的影響很小，但會顯著降低少數(shù)自旋

5、電流。基于線缺陷ZGNR設(shè)計的自旋過濾器，當外部橫向電場E=3.0v/nm時，在0～0.6V大偏壓范圍，其自旋過濾的效率能夠穩(wěn)定達到60％～81％。
　　最后，獲得了存在周期性穿孔缺陷石墨烯（石墨烯納米網(wǎng)）帶隙與結(jié)構(gòu)參數(shù)間的擬合函數(shù)。嘗試解決一個著名問題——什么形狀的石墨烯會產(chǎn)生帶隙？鑒于此，大量而系統(tǒng)地模擬計算了周期性包含準圓形（六邊形）、三角形和矩形孔缺陷的石墨烯納米網(wǎng)(GNM)的電子結(jié)構(gòu)，特別是側(cè)重于尋找不同花樣的石墨烯的帶

6、隙隨缺孔的大小、形狀和密度改變的變化規(guī)律和機理。研究發(fā)現(xiàn)，無論缺孔的形狀，石墨烯納米網(wǎng)沿鋸齒邊緣方向的周期數(shù)對帶隙打開起著至關(guān)重要的作用，周期數(shù)的變化可導(dǎo)致石墨烯納米網(wǎng)在半金屬性和半導(dǎo)體性之間的轉(zhuǎn)換。同時也表明扶手椅邊緣方向的周期數(shù)的變化僅是逐步修改分布量值。對于圓形、三角形和矩形孔的石墨烯納米網(wǎng)，都得到了各自的帶隙隨孔的大小、形狀和密度變化的不同規(guī)律。重要的是，獲得了通用的數(shù)值擬合公式來定量反映GNM的帶隙與GNM的結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系