摻雜少層石墨烯電子性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、石墨烯由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便成為納米材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。尤其是因?yàn)樗^佳的電學(xué)性能，使得石墨烯可能替代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體硅材料和碳納米管成為新一代納電子器件。為了對(duì)石墨烯的電子性質(zhì)有更深入的了解，進(jìn)而對(duì)其電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的調(diào)控，我們研究了幾種不同的摻雜少層石墨烯體系的電子性質(zhì)，得到了一些有意義的結(jié)果。本論文首先對(duì)石墨烯的研究現(xiàn)狀，包括發(fā)現(xiàn)與制備、結(jié)構(gòu)形態(tài)、物理性能以及應(yīng)用前景進(jìn)行了較為系統(tǒng)的評(píng)述。在此基礎(chǔ)上，選

2、用合適的研究方法--基于密度泛函理論的第一性原理方法，構(gòu)建合理的結(jié)構(gòu)模型對(duì)石墨烯電子性質(zhì)的摻雜效應(yīng)進(jìn)行了深入研究，考察了其電子能帶結(jié)構(gòu)及電荷分布特征，并給出了物理機(jī)制。本文的安排如下：
　　 第一章是緒論，介紹了石墨烯的發(fā)現(xiàn)與制備、典型的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)特征、物理性能和應(yīng)用前景，并對(duì)石墨烯的摻雜研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。
　　 第二章，對(duì)基于密度泛函理論的第一性原理方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并考察了該研究方法在碳納米結(jié)構(gòu)摻雜效應(yīng)

3、中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)體系注入一個(gè)負(fù)電荷，研究了碘原子摻雜的不同管徑碳納米管的電荷分布特征。發(fā)現(xiàn)除(10，0)以前的鋸齒管外，扶手管和其它的鋸齒管所帶的電荷總量，隨著管徑增加而增加，且兩種類(lèi)型碳納米管的每個(gè)碳原子平均帶電量隨管徑的變化趨勢(shì)是相似的，因此具有相同的物理機(jī)制。參照碳納米管和碘原子吸引負(fù)電荷能力的大小，可以比較不同管徑的碳納米管與電負(fù)性較強(qiáng)的鹵素碘原子之間電負(fù)性的強(qiáng)弱。此外，通過(guò)該項(xiàng)研究，發(fā)現(xiàn)研究碳納米結(jié)構(gòu)摻雜效應(yīng)并計(jì)算其電子性質(zhì)，

4、采用第一性原理方法是比較合適的。
　　 第三章，探討了用鹵素原子取代石墨烷中的氫原子，得到新的基于石墨烯衍生物的可能性。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)可以形成穩(wěn)定的類(lèi)石墨烷結(jié)構(gòu)碳化氟、碳化氯及碳化溴。碳化氟和碳化氯是半導(dǎo)體，它們的能帶帶隙比石墨烷的要小，而碳化溴是金屬。另外，采用從頭分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了碳化氟和碳化氯的熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在常溫下它們都能夠穩(wěn)定存在，且碳化氟相比碳化氯，能經(jīng)受更高的溫度。最后以碳化氟為例，考察了單原子空位缺陷對(duì)其類(lèi)

5、石墨烷結(jié)構(gòu)及電子結(jié)構(gòu)的影響。
　　 第四章，同時(shí)考慮了摻雜原子和基底對(duì)少層石墨烯電子性質(zhì)的影響，分別計(jì)算了單邊摻雜和雙邊摻雜情況下少層石墨烯的電荷分布特征，發(fā)現(xiàn)在單邊摻雜中，電荷轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在跳躍層上，與內(nèi)層碳原子相比，該碳原子層能夠接受或者捐出絕大多數(shù)的轉(zhuǎn)移電荷。而雙邊摻雜的電荷分布特性則取決于摻雜原子和基底對(duì)石墨烯摻雜類(lèi)型的組合：如果摻雜是n.C-n型，即摻雜原子和基底均為電荷捐贈(zèng)者，石墨烯的兩個(gè)跳躍層將從與之相近的電荷捐贈(zèng)

6、者那里獲得電荷；如果摻雜是n-C-p型，石墨烯接近電荷接受者的跳躍層則趨向電中性。并且，采用多層平板電容器的模型，對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了解釋?zhuān)l(fā)現(xiàn)靜電能在體系的電荷分布中，起著決定性的作用。
　　 第五章，基于石墨烯和六方氮化硼同構(gòu)性，研究了鉀原子摻雜的聯(lián)合層狀系統(tǒng)：石墨烯/六方氮化硼的電荷分布特征。在結(jié)構(gòu)模型上，分別考慮了鉀原子摻雜的1～5層氮化硼置于5層石墨烯之上以及反轉(zhuǎn)的1～5層石墨烯放置在5層氮化硼上的兩種構(gòu)型，發(fā)現(xiàn)它們的電荷