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石墨烯纳米带电子结构的第一性原理研究

作　者: 胡宽莲
导　师: 张玉明
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 石墨烯纳米带 第一性原理 纳米带宽 氮化硼纳米带 边缘空位缺陷
分类号: O613.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


新型碳基纳米材料——石墨烯纳米带（GNRs），由于受到量子限制效应及边缘效应而引入非零带隙，并且可以通过控制其几何构型调节其带隙大小。这意味着石墨烯纳米带对于发展新型纳米器件具有重要意义。本文利用基于第一性原理密度泛函理论（DFT）平面波赝势方法的MaterialsStudio软件对GNRs进行几何结构优化和电子结构计算。通过构建不同宽度、边缘加H饱和的GNRs超原胞几何模型，得到对应的能带结构。分析可知：具有完整边缘结构的GNRs呈现半导体性质，且整体上带隙Eg随着带宽的增加而减小。其中，对于扶手椅型石墨烯纳米带（AGNRs），带隙Eg对带宽N_a呈现出周期为3的震荡特性，并且当N_a取3p+2（p为正整数）时，Eg趋于0；对于锯齿型石墨烯纳米带（ZGNRs），当带宽N_z很小时，体系表现为半导体性质，随着N_z增加，Eg减小，当N_z=5时，Eg几乎为0，体系表现为金属性。然后，通过对比BN纳米带限制的AGNRs与H饱和AGNRs的Eg～N_a关系，分析可知：因前者AGNRs边界处发生了电荷重分布现象，使得紧挨B、N原子的C原子电势能改变，故而在N_a取3p+2时，前者仍具有可观的带隙值。最后讨论了边缘空位缺陷的存在对GNRs电子结构产生的影响。可知：对于AGNRs，边缘空位缺陷使得其带隙减小，且缺陷浓度越大，带隙越小，发生半导体向金属性质的转变；对于ZGNRs，边缘空位缺陷的存在并没有改变其锯齿型边缘的物理结构，故电学性质上并未带来大的改变。通过对具有不同宽度及边缘结构的GNRs进行计算分析，有助于我们对GNRs的边缘进行各种修饰和电子结构裁剪，以及基于GNRs的功能器件设计。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章 绪论  8-22
  1.1 引言  8-9
  1.2 石墨烯的研究概况  9-14
    1.2.1 石墨烯的空间几何结构与电子结构  9-11
    1.2.2 石墨烯的常用制备方法  11-14
    1.2.3 能隙的引入与调制  14
  1.3 石墨烯纳米带的研究概况  14-19
    1.3.1 石墨烯纳米带的结构与性质  18-19
    1.3.2 石墨烯纳米带的应用前景  19
  1.4 本文的研究目的和结构安排  19-22
第二章 理论方法  22-32
  2.1 引言  22
  2.2 多粒子体系的第一性原理分析  22-23
  2.3 绝热近似和 Hartree-Fock 近似  23-25
    2.3.1 绝热近似  23-24
    2.3.2 单电子近似  24
    2.3.3 Hartree-Fock 近似  24-25
  2.4 密度泛函理论基础  25-28
    2.4.1 Thomas-Fermi-Dirac 近似  25-26
    2.4.2 Hohenberg-Kohn 定理  26-27
    2.4.3 KS 方程  27-28
  2.5 交换关联能的确定  28-29
    2.5.1 局域密度近似  28-29
    2.5.2 广义梯度近似  29
  2.6 基组  29-30
  2.7 赝势方法  30-32
第三章 石墨烯纳米带电子结构的调控  32-46
  3.1 引言  32
  3.2 计算程序 CASTEP 简介  32-35
    3.2.1 超原胞处理方法  33-34
    3.2.2 平面波基组的选取  34-35
    3.2.3 赝势的选取  35
  3.3 带宽对扶手椅型石墨烯纳米带电子结构的影响  35-39
    3.3.1 计算模型与方法  36
    3.3.2 计算结果与分析讨论  36-39
  3.4 带宽对锯齿型石墨烯纳米带电子结构的影响  39-42
    3.4.1 计算模型与方法  39
    3.4.2 计算结果与分析讨论  39-42
  3.5 扶手椅型 BN 纳米带限制 AGNRs 的电子结构  42-46
    3.5.1 受 ABNNRs 限制的 AGNRs[96]  42-43
    3.5.2 A-CNcc(BN)Nbn与 H 饱和 AGNR  43-46
第四章 边缘空位缺陷对石墨烯纳米带电子结构的影响  46-50
  4.1 引言  46
  4.2 边缘空位缺陷对扶手椅型石墨烯纳米带电子结构的影响  46-48
    4.2.1 计算模型与方法  46
    4.2.2 计算结果与分析讨论  46-48
  4.3 边缘空位缺陷对锯齿型石墨烯纳米带电子结构的影响  48-50
    4.3.1 计算模型与方法  48
    4.3.2 计算结果与分析讨论  48-50
第五章 总结及展望  50-52
致谢  52-54
参考文献  54-59

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 无机化学 > 非金属元素及其化合物 > 第Ⅳ族非金属元素（碳和硅）及其化合物 > 碳C
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