化學(xué)修飾石墨烯材料的場發(fā)射性質(zhì)研究.pdf

1、納米科技的提出和發(fā)展革新了傳統(tǒng)的材料加工制作方式，它試圖通過在微觀世界中納米尺度內(nèi)的加工操作來改進(jìn)器件的性能，被認(rèn)為是21世紀(jì)頭等重要的科學(xué)技術(shù)。隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，一系列新興學(xué)科產(chǎn)生，不同領(lǐng)域的廣大的納米科研人才努力于解決納米科技在不同方向具有挑戰(zhàn)性的問題，極大推進(jìn)了它的實(shí)際應(yīng)用。納米材料器件作為納米科技的基礎(chǔ)是研究的一個(gè)熱點(diǎn)，其中一方面便涉及到電子場發(fā)射陰極材料的制作。作為新型場發(fā)射陰極，納米材料憑借自身結(jié)構(gòu)及性質(zhì)上的優(yōu)勢被寄予

2、厚望。只有深入了解納米材料的場發(fā)射的微觀機(jī)制，人們在改進(jìn)場發(fā)射器件性能時(shí)才能把握好方向，以減少資源和時(shí)間上的浪費(fèi)。人們不僅希望得到強(qiáng)度大且穩(wěn)定的場發(fā)射電流，而且也探索通過一些有磁性的納米結(jié)構(gòu)材料得到高自旋極化率的場發(fā)射電流。另一方面，密度泛函理論被廣泛應(yīng)用在固體物理和量子化學(xué)等學(xué)科中，尤其在納米材料的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究方面顯示出極大的優(yōu)勢。本文通過基于密度泛函理論的理論模擬研究了對石墨烯納米條帶和石墨烯表面采用不同官能團(tuán)作化學(xué)修飾后其場

3、發(fā)射性能的變化情況，涉及到非極化和自旋極化的場發(fā)射性質(zhì)研究，并借助第一性原理在保證計(jì)算的準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上簡化了計(jì)算的流程。
　　第一章分為有關(guān)場發(fā)射的基本理論介紹、文章中使用的波函數(shù)匹配及第一性原理相結(jié)合的場發(fā)射電流計(jì)算方法、場發(fā)射的研究進(jìn)展（包括石墨烯、石墨烯條帶和碳納米管）、密度泛函理論基礎(chǔ)四個(gè)方面。場發(fā)射是電子場發(fā)射的簡稱，又稱為冷陰極電子發(fā)射，一般是借助于外界施加的強(qiáng)電場降低材料表面的勢壘的限制從而提高電子隧穿至真空的概率，宏

4、觀上得到可測的電流。文中對場發(fā)射的具體過程和發(fā)展?fàn)顩r給出了較詳細(xì)的介紹，納米材料的場發(fā)射電流計(jì)算有其自身的特殊性，文中對相關(guān)問題作出了討論。在文中給出了我們采用的計(jì)算方法詳細(xì)的理論推導(dǎo)步驟，因其中采用傳統(tǒng)的波函數(shù)匹配方法和第一性原理結(jié)合，所以對密度泛函理論的基礎(chǔ)知識也給出了介紹。我們研究的納米材料主要為化學(xué)修飾的石墨烯材料，因而文中對石墨烯、石墨烯納米條帶和碳納米管都有基本知識的講解，使人們對它們在場發(fā)射領(lǐng)域的應(yīng)用有清晰的認(rèn)識。

5、　　第二章前面部分給出了邊界修飾有C-O-C醚基的鋸齒形石墨烯納米條帶(包括邊界有連續(xù)的醚基和50％覆蓋度的醚基兩種例子，分別簡稱ZGNR-CE和ZGNR-AE)的電子場發(fā)射特性的計(jì)算結(jié)果。該體系在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)被制備和研究。場發(fā)射電流計(jì)算用到的即為第一章中有詳細(xì)描述的波函數(shù)匹配方法。模擬結(jié)果顯示兩種納米條帶的場發(fā)射主要由布里淵區(qū)中心且靠近費(fèi)米面的電子態(tài)所決定。因?yàn)榫哂休^低的功函數(shù)，ZGNR-CE條帶能產(chǎn)生比未修飾的重構(gòu)鋸齒形石墨烯納米條帶

6、強(qiáng)很多的場發(fā)射電流;而ZGNR-AE的電流值雖然小，但也具備其它優(yōu)勢，即能夠得到屬于高自旋極化的電流。我們也發(fā)現(xiàn)在較低的外電場下，單軸方向的外加應(yīng)變能有效調(diào)控它們的場發(fā)射電流，但ZGNR-AE條帶的高自旋極化在這種情況下保持不變。通過分析這些條帶的功函數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)以及結(jié)合邊界電偶極模型，我們揭示了這些現(xiàn)象的相關(guān)機(jī)制。在第二章的后面部分，我們介紹了N-H亞氨基修飾邊界的鋸齒形石墨烯納米條帶（簡稱ZGNR-NH）的場發(fā)射性能的計(jì)算情況。ZG

7、NR-NH的原子不在同一平面上，體系的功函數(shù)極低，能帶結(jié)構(gòu)上有平帶一直延伸至費(fèi)米能級處的Γ點(diǎn)處。ZGNR-NH發(fā)射的場發(fā)射電流強(qiáng)度超強(qiáng)，這得益于它較強(qiáng)的邊界電偶極矩，其場發(fā)射性能超過了醚基官能團(tuán)修飾的納米條帶。
　　第三章介紹了對于氫和氟修飾的雙層石墨烯表面的場發(fā)射特性的研究。雙層石墨烯表面的Γ電子態(tài)遠(yuǎn)離費(fèi)米面，使得其場發(fā)射性能較低。當(dāng)用氫雙面修飾時(shí)，所產(chǎn)生的雙層石墨烷功函數(shù)略微降低，但更重要的是使得費(fèi)米面附近的占據(jù)電子態(tài)主要分布