石墨烯晶界結構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)異的物理性質而吸引了科研工作者的極大興趣，是近年來物理、化學、材料以及生物等領域的研究熱點之一。石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄最強的材料，具有獨特的光學性質，優(yōu)良的熱傳導特性，以及超快的載流子傳導率等。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用前景，也被認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，晶界效應是石

2、墨烯材料走向應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以內的石墨烯晶界。基于密度泛函理論計算，考察了石墨烯晶界的結構穩(wěn)定性，及其對力學、電子以及輸運性質的影響。根據(jù)五元環(huán)和七元環(huán)缺陷的排布，將石墨烯晶界從結構上分為四大類。闡明了晶界的形成能和晶向偏轉角以及彎曲角的函數(shù)依賴關系。分析發(fā)現(xiàn)當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實驗觀測結果。
　　通過分析石墨烯晶界的電子結構，發(fā)現(xiàn)大部分晶界上的缺陷環(huán)都會導致電子的聚集，進而使得石墨烯態(tài)密度在費米能級附近增強。然而由于缺陷導致的石墨烯彎曲效應，晶界上出現(xiàn)部分碳原子從sp2向sp3轉換，可以導致打開最高為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、兩側的平移矢量對關系，具體的缺陷分布也有一定的影響。
　　晶界的引入同時會導致石墨烯力學強度的下降。我們系統(tǒng)考察了晶界對石墨烯力學強度和斷裂行為的影響。研究發(fā)現(xiàn):除了晶向偏轉角度之外，石墨烯的力學本征強度還線性依賴于彎曲角，而且這種依賴關系和溫度的變化無關。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翻轉為主的單軸拉伸斷裂機制。對于雙層石墨烯，其力學本

5、征強度和旋轉角有一定的依賴關系。雙層石墨烯晶界的力學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。
　　具有不同物理性質的二維單層材料的異質接觸，具有廣泛的應用前景。在對石墨烯晶界研究的基礎上，我們研究了石墨烯和六角氮化硼層內接觸的缺陷界面的結構以及其對電子性質的影響。研究發(fā)現(xiàn)Clar規(guī)則對于界面的穩(wěn)定性，電子結構以及帶偏移都有非常大的影響。具有符合Clar規(guī)則界面的異質結構，都呈現(xiàn)出半導體性質。我們還發(fā)