基于第一性原理的石墨烯與氮化鎵界面結構的研究.pdf

1、石墨烯是具有高強度、高導電性、高透過率的最薄“超級材料”，但由于石墨烯的厚度僅相當于一個原子，所以一般在實際應用中必須找到一個載體來支撐它，才可以更好的發(fā)揮石墨烯優(yōu)異的性能。而氮化鎵(GaN)由于其優(yōu)異的物理性能和化學性能，使其在微電子器件、光電子器件等領域得到了廣泛的應用前景和研究價值，但GaN基材料到目前為止仍然存在很多不足，人們也一直在尋找能夠解決GaN材料“高密度位錯、工作速度慢、散熱性能不良、高集成和互聯(lián)難度大”這些問題的方案

2、。直到石墨烯的發(fā)現(xiàn)給解決GaN材料的這些問題帶來了新的思路。新型的石墨烯/氮化鎵異質結材料不僅克服了氮化鎵的許多缺陷，同時也為石墨烯提供了一個理想的載體，目前石墨烯/氮化鎵異質結材料已經(jīng)在許多領域里已經(jīng)得到了廣泛的應用。
　　本文采用基于密度泛函理論的第一性原理對單層石墨烯/氮化鎵異質結材料進行了研究。重點討論了石墨烯(2×2)/氮化鎵（√3×√3）體系和石墨烯（3√3×3√3）/氮化鎵(4×4)的體系，并對兩種結構進行了對比。計

3、算了兩種體系在界面處的幾何結構，電子結構，表面的功函數(shù)，并分析由石墨烯層誘導的電荷密度的變化。結果表明，在兩種體系中，石墨烯層與氮化鎵之間的結合力為范德瓦爾斯力。石墨烯(2×2)/氮化鎵（√3×√3）體系表現(xiàn)出半導體特性，石墨烯在K點附近的狄拉克錐結構不再存在，導帶底和價帶頂出現(xiàn)在布里淵區(qū)的Γ點，在Γ點形成大小為0.12eV的帶隙，體系表面的功函數(shù)為5.26eV，電子不容易脫離體系表面。而石墨烯（3√3×3√3）/氮化鎵(4×4)體系的

4、帶隙寬度為0.01eV，在外加電場-1V/(A)-1V/(A)的范圍內，帶隙寬度最大為0.016eV。體系表面處的功函數(shù)為4.77eV，相比于石墨烯(2×2)/氮化鎵（√3×√3）體系，其表面對電子的束縛力較弱，但相比于石墨烯(2×2)/氮化鎵（√3×√3）結構，石墨烯(2×2)/氮化鎵（√3×√3）結構的不匹配率較低，未來可應用于透明電極材料，從而提高傳統(tǒng)LED的導電性和出光率。計算結果為石墨烯作為氮化鎵材料的吸附層的設計和應用提供了

5、理論依據(jù)。論文主要分如下幾章內容詳細討論:
　　第一章:詳細介紹了石墨烯的發(fā)展歷程，基本性質以及應用方向，同時也介紹氮化鎵的基本性能和研究現(xiàn)狀，并指出了氮化鎵自身的缺陷，由此引出石墨烯/氮化鎵異質結構的研究意義，不止克服了氮化鎵本身的不足，同時也為只有一個原子厚度的石墨烯提供了載體，并預想了未來石墨烯/氮化鎵異質結材料的應用方向。并由此確定本論文的工作安排。
　　第二章:詳細介紹了本文中用到的理論知識，主要包括第一性原理和密

6、度泛函理論，此外，介紹了常用的基于密度泛函理論的軟件包，包括Materials Studio、CASTEP、ATK，以及本文主要使用的軟件包VASP。
　　第三章:詳細介紹了本文的計算過程的參數(shù)設置以及模型的構建過程。
　　第四章:詳述石墨烯(2×2)/氮化鎵（√3×√3）結構界面處的性質，包括能帶結構，態(tài)密度，功函數(shù)以及差分電荷密度，結果表明石墨烯與氮化鎵之間依靠范德瓦爾斯力結合，體系呈現(xiàn)出半導體的特性。
　　第五章

7、:石墨烯(3√3×3√3)/氮化鎵(4×4)結構的界面處的性質，包括能帶結構，態(tài)密度，功函數(shù)以及差分電荷密度，結果表明石墨烯與氮化鎵之間依靠范德瓦爾斯力結合，體系呈現(xiàn)出半金屬的特性。
　　第六章:對本文的工作進行總結。通過對兩種構型的比較可知，在兩種構型中，石墨烯與氮化鎵之間都是依靠范德瓦爾斯力結合，石墨烯(2×2)/氮化鎵（√3×√3）結構表現(xiàn)出半導體特性，而石墨烯（3√3×3√3）/氮化鎵(4×4)結構的不匹配率相對較小，結構