表面功能化的石墨烯納米帶的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的研究.pdf

1、自2004年石墨烯（graphene）首次被英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家Novoselov和 Geim從石墨中通過(guò)機(jī)械剝離的方法制備以來(lái)，它便以其特殊的二維結(jié)構(gòu)、原子層厚度和優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，引起了科研人員的廣泛關(guān)注。但由于石墨烯是零帶隙的，它這種特殊的能帶結(jié)構(gòu)限制了它在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,比如它很不容易產(chǎn)生光致發(fā)光的現(xiàn)象。于是科學(xué)家嘗試用多種方法來(lái)改造石墨烯，比如把石墨烯裁剪成寬度較窄的石墨烯納米帶（GNRs）。GNRs具有帶隙，它是一種

2、準(zhǔn)一維的半導(dǎo)體材料，極大地?cái)U(kuò)展了石墨烯材料的應(yīng)用領(lǐng)域。GNRs迅速成為了近年來(lái)的熱門(mén)研究對(duì)象，并且也取得了快速地發(fā)展?？蒲腥藛T一方面不斷地改善著GNRs的制備方法，另一方面還積極地研究著它的電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)等。同時(shí)還嘗試摻雜、缺陷等方法來(lái)修飾 GNRs，不斷地優(yōu)化其性質(zhì)，拓展其應(yīng)用。GNRs是目前最受歡迎的半導(dǎo)體石墨烯材料之一，針對(duì)GNRs的可控方法對(duì)于未來(lái)的光學(xué)應(yīng)用是非常有用的，但是針對(duì)表面功能化的GNRs影響還缺乏一些系

3、統(tǒng)的研究，本文通過(guò)第一性原理計(jì)算，主要研究了表面官能團(tuán)吸附對(duì) GNRs的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響，以及 Stone-Wales缺陷和在缺陷上氫化對(duì)GNRs的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。
　　本研究分為五個(gè)部分：第一章回顧了各種碳基納米材料的發(fā)現(xiàn)歷史以及研究現(xiàn)狀，并重點(diǎn)介紹了GNRs的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。目前GNRs在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)有多種制備方法被報(bào)道，GNRs也在場(chǎng)效應(yīng)管、電子器件和傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出了其不可估量的潛在應(yīng)用價(jià)值。第二章介紹了密度

4、泛函理論（density functional theory，DFT）的發(fā)展歷史和基本結(jié)構(gòu)框架，還介紹了Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程，以及幾個(gè)基于DFT的計(jì)算軟件。本文中主要的軟件有Dmol3，Quantum ESPRESSO和Yambo。第三章通過(guò)第一性原理計(jì)算研究了表面官能團(tuán)吸附的扶手椅邊緣型納米帶結(jié)構(gòu)（W(n)-X armchair GNRs, W(n)-X AGNRs）的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，其中寬度指

5、數(shù)n分別取值n=8,9和10，X表示官能團(tuán)CH3，NH2，NO2和OH。我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)官能團(tuán)擴(kuò)大了W8和W9的帶隙，并降低了W10的帶隙。帶隙的變化可以簡(jiǎn)單從成鍵特征來(lái)分析。在所有的W10-X結(jié)構(gòu)，大部分激子波函數(shù)位于被官能團(tuán)分割的大的區(qū)域。此外，W10-NO2具有光吸收強(qiáng)度高和激子結(jié)合能弱等特點(diǎn)，表明了這種結(jié)構(gòu)具有潛在的光學(xué)應(yīng)用，比如熒光發(fā)光和光伏等應(yīng)用。第四章通過(guò)第一性原理計(jì)算研究了Stone-Wales缺陷和氫化的AGNRs的電子

6、結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。我們根據(jù)成鍵特征分析帶隙的變化，發(fā)現(xiàn)SW缺陷增大了W8的帶隙，并且減小了W9和W10的帶隙。氫化增加了W8-和W9-SW的帶隙，并且降低了W10-SW的帶隙。W10-SW-H結(jié)構(gòu)中的激子有明顯的量子限域效應(yīng)，即激子波函數(shù)的分布位于同一個(gè)邊緣附近。此外，W10-SW和W10-SW-H結(jié)構(gòu)之間的激子結(jié)合能差異僅為0.08 eV，具有未來(lái)應(yīng)用于納米級(jí)光學(xué)開(kāi)關(guān)的可能。由于W9-SW較強(qiáng)的光吸收和較小的激子結(jié)合能，它具有應(yīng)用于發(fā)光