二維材料電學(xué)性質(zhì)及其支撐貴金屬團(tuán)簇的理論研究.pdf

1、在本文中，我們主要研究了石墨烯超晶格及過(guò)渡金屬化合物等二維材料的能隙調(diào)制規(guī)律，討論了簡(jiǎn)并微擾、反演對(duì)稱(chēng)性、磁耦合及缺陷濃度對(duì)其能隙的影響，同時(shí)也探索了Pt等貴金屬團(tuán)簇在石墨烯、氧化石墨烯表面的生長(zhǎng)特性。
　　首先，我們通過(guò)引入非磁性缺陷或替代摻雜研究了石墨烯超晶格的能帶，對(duì)于完整的單質(zhì)石墨烯，在理論研究中通過(guò)采用不同的超晶胞，可以調(diào)制對(duì)應(yīng)的周期性邊界條件形成贗超晶格?；谀軒д郫B分析，我們可以按照狄拉克錐位置的不同將這些石墨烯超晶

2、格分為兩類(lèi)。在一部分贗超晶格中，兩重簡(jiǎn)并的狄拉克點(diǎn)K和K'折疊到了Γ點(diǎn)，形成了四重簡(jiǎn)并。在這些體系中，即便是在保持反演對(duì)稱(chēng)性的情況下，通過(guò)引入簡(jiǎn)并微擾也可以打開(kāi)Γ點(diǎn)處的能隙，這為實(shí)驗(yàn)上通過(guò)用平板印刷方法制備石墨烯納米篩提供了理論研究成果。在其它贗超晶格中，二重簡(jiǎn)并的狄拉克點(diǎn)與Γ點(diǎn)不等價(jià)，只有打破反演對(duì)稱(chēng)性的方法可以打開(kāi)能隙。
　　之后，我們又系統(tǒng)研究了高對(duì)稱(chēng)反點(diǎn)陣石墨烯超晶格的電子性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)。對(duì)于所有采用的六角對(duì)稱(chēng)反點(diǎn)缺陷，相

3、應(yīng)的超晶格可以根據(jù)其Y形結(jié)的結(jié)構(gòu)特征和磁分布為三類(lèi)。除了非磁超晶格以外，磁性超晶格中，一種含有磁簇并且簇與簇之間是反鐵磁耦合，另一種結(jié)構(gòu)只含有單個(gè)分布的磁性原子且相鄰磁原子間存在反鐵磁態(tài)耦合。反鐵磁耦合給超晶格增加了一個(gè)量子參數(shù)，并且由于相鄰磁性單元之間的自旋反向排布打破了反演對(duì)稱(chēng)性，從而使這些超晶格打開(kāi)了能隙。而對(duì)于非磁性超晶格，研究中采用的缺陷沒(méi)有破壞反演對(duì)稱(chēng)性，這時(shí)只有部分超晶格由于簡(jiǎn)并微擾的作用打開(kāi)能隙，大多數(shù)非磁性結(jié)構(gòu)為零能隙

4、半金屬。另外，我們還討論了頸寬對(duì)能隙寬度的影響、磁耦合對(duì)能隙的影響以及反點(diǎn)陣邊緣飽和帶來(lái)的能帶變化。這些研究結(jié)果對(duì)基于石墨烯納米結(jié)構(gòu)的高性能納米電子器件的研究開(kāi)發(fā)工作有促進(jìn)意義。
　　第三，針對(duì)實(shí)驗(yàn)上報(bào)道的二維晶體支撐貴金屬團(tuán)簇的研究結(jié)果，我們用第一原理方法系統(tǒng)研究了Pt團(tuán)簇在石墨烯和氧化石墨烯上的吸附支撐情況。在石墨烯上，由于Pt原子的吸附能不大，難以分散地吸附到其表面。最近發(fā)現(xiàn)的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)，通常包含氧原子(-O-)、羥基(

5、-OH)和sp2雜化的C原子。這些官能團(tuán)的存在有可能使氧化石墨烯成為一種很好的貴金屬原子支撐載體。實(shí)驗(yàn)上，中科院的王奇等人已經(jīng)在氧化石墨烯表面制備出了分散性能良好的Pt團(tuán)簇。同時(shí)，我們的第一性原理模擬結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，Pt原子容易吸附到氧化石墨烯表面，并且由于氧化石墨烯表面存在氧原子(-O-)和sp2雜化的C原子，它們可以錨定游離的Pt原子并增強(qiáng)Pt團(tuán)簇與襯底間的結(jié)合，根據(jù)計(jì)算結(jié)果我們證明Pt原子在氧化石墨烯表面最容易形成Pt3、Pt

6、6、 Pt9和Pt13等穩(wěn)定團(tuán)簇，為以后對(duì)氧化石墨烯支撐Pt團(tuán)簇的催化氧化性能和儲(chǔ)氫性能研究打下了基礎(chǔ)。。
　　最后，以VS2為代表的過(guò)渡金屬化合物二維材料已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上成功制備出來(lái)。與石墨烯相似，這種材料同樣可以有納米帶、納米管等納米結(jié)構(gòu)。我們應(yīng)用第一原理方法對(duì)類(lèi)似結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算研究，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)對(duì)于兩種不同的H型結(jié)構(gòu)和T型結(jié)構(gòu)，只有較窄的H型扶手椅邊緣納米帶和由其卷曲而成的小直徑納米管能夠使材料由金屬變?yōu)榘雽?dǎo)體或