石墨烯等低維體系電子結(jié)構與氫氣存儲的理論研究

1、摘要摘要石墨烯表現(xiàn)出來的優(yōu)異的物理和化學性質(zhì)，如高電子遷移率、高熱導率、常溫霍爾效應、無質(zhì)量的狄拉克費米子等，使其在眾多領域都擁有巨大的應用前景。而隨著石墨烯的廣泛研究，石墨烯納米帶也很快地進入了人們的視野。石墨烯納米帶已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)具有很多優(yōu)越的性質(zhì)，如帶隙調(diào)控、半金屬等，相比鋸齒型石墨烯納米帶，扶手椅型石墨烯納米帶因缺乏磁性以及費米能級附近的邊緣態(tài)而相對研究較少，但一些理論研究表明，相比鋸齒型石墨烯納米帶，扶手椅型石墨烯納米帶從能量以及

2、熱力學上都更加穩(wěn)定的。本文研究了通過化學上常用的引入磁性的方法．基團修飾，成功地在無磁性的扶手椅型石墨烯納米帶中引入了磁性，并研究了其磁性機理。隨著石墨烯的廣泛研究，研究者們開始對其它二維納米材料產(chǎn)生了很大的興趣。另一種和石墨烯結(jié)構類似的I I I ．V 族化合物二維材料．單層六角氮化硼也因其良好的熱穩(wěn)定性以及化學穩(wěn)定性等引起了人們極大的研究熱情。在氮化硼納米帶中也發(fā)現(xiàn)一些有趣的物理性質(zhì)，例如帶隙可以通過納米帶寬度、碳摻雜以及斯達克效應

3、來調(diào)控，另外，也可以通過外加電場或硼邊飽和氫原子實現(xiàn)半金屬特性。本文研究了常見的雜質(zhì)．空位對于氮化硼納米帶的電子結(jié)構和磁性的影響，并成功地在此體系中得到了和納米帶寬度無關的自旋無帶隙( s p i n g a p l e s s ) 半導體。幾十年來，人們對發(fā)現(xiàn)新的碳同素異形體有著極大的興趣。石墨炔作為一種s p 雜化軌道與礦雜化軌道并存的二維碳的同素異形體，很早就被理論證明是最容易合成的人造碳材料。近期石墨炔終于在銅襯底上被成功合成，

4、實驗證明它是電導率為2 ．5 1 6 * 1 0 4S m - 1 的半導體，其電導率可與硅比擬。隨著世界范圍內(nèi)對能源的需求越來越大，氫氣作為一種重要的清潔能源備受關注。碳納米材料因其高表比面積、多孔洞等特點被認為是一種良好的儲氫材料。本文研究了石墨炔中的氫氣存儲。第一章首先簡單介紹石墨烯的晶格結(jié)構、電子結(jié)構和主要制備方法，從石墨烯引入石墨烯納米帶實驗和理論的研究現(xiàn)狀；然后介紹與石墨烯結(jié)構類似的單層六角氮化硼以及氮化硼納米帶的制備和電子

5、結(jié)構等；最后簡單介紹一下氫氣存儲的現(xiàn)狀。第二章簡要介紹了密度泛函理論、波函數(shù)構造、贗勢等方法，并引入范德瓦摘要第七章是對本文的一個簡要總結(jié)。關鍵詞：石墨烯、氮化硼、納米帶、空位、基團、第一性原理方法、自旋無帶隙半導體、瘍磁性、氫氣存儲、外電場、拓撲絕緣體。中圖分類號：0 4 6 9I I II I I II I l l l l L U l l l l l l l ll l l l l l l l l l l Ul l IY 2 7 0