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石墨烯弯曲形变的电子结构和特性的研究

作　者: 闫晓密
导　师: 王利光
学　校: 江南大学
专　业: 光学工程
关键词: 石墨烯密度泛函理论几何结构密立根电荷分子能级电子传输伏安特性
分类号: O469
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

英国曼彻斯特大学物理和天文学院的安德烈·盖姆(Andre Geim)教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)博士因在2004年关于石墨烯的发现和表征而获得了2010年度诺贝尔物理学奖。在短短的6年时间里,石墨烯在制备方法上取得了重大进展;同时对石墨烯的深入研究发现其具有优异的物理性能,有着非常美好的应用前景。石墨烯是构成其它碳同素异形体的基本单元,它可折叠成富勒烯(零维),卷曲成碳纳米管(一维),堆垛成石墨(三维)。作为一种独特的二维晶体,石墨烯被喻为材料科学与凝聚态物理领域正在升起的“新星”,无数的科学工作者投入大量的热情去挖掘这种新奇材料的特性。至今,已发现石墨烯在电、光和磁等方面都具有很多非常优异的性能:如室温量子霍尔效应、双极性电场效应、铁磁性、超导性及高的电子迁移率等;同时其机械性能优异,杨氏模量达1.0TPa;热导率为5300W·m-1·K-1,是铜热导率的10多倍;几乎完全透明,对光只有2.3%的吸收。这些优异的性质,使得石墨烯在微纳电子器件、新型太阳能电池、维纳传感器、超级电容器极板、场发射和催化剂载体等领域有着良好的应用前景。不过到目前为止,对无限长石墨烯研究比较多,对由有限六角苯环组成的石墨烯研究还比较少,特别是形变及嵌入其它原子后的石墨烯电子结构与特性的研究少见报道。鉴于此种情况,本文利用基于第一性原理的密度泛函理论和非平衡格林函数方法对有限碳原子组成的石墨烯形变及嵌入其它原子的石墨烯的电子结构和基本特性进行了研究。具体研究内容如下:1、因为理想石墨烯是完美的平面二维结构,但实际制作的石墨烯通常表面不完全平整,出现波纹状褶皱或扭曲。文章中我们首先选取4组不同弯曲曲率的有限六角环石墨烯模型,对其进行优化。优化后得到的最稳定模型为扭曲构型,然后对优化后的构型进行理论计算,研究它们的分子轨道密度、电荷分布、偶极矩以及轨道能级。之后耦合电极,模拟成纳米电子传输器件模型,研究其电子传输特性(包括态密度)和伏安特性,并对这些结果进行比较和分析。2、由多个单层石墨烯重叠而成,且层数小于10的晶体也都可称为石墨烯,但其物理性质也会随着它的层数和堆垛方式的改变而改变,因此第四章就选用由有限个碳原子组成的双层石墨烯,用同样的研究方法,在研究单层和双层之间关系的同时,还研究了双层石墨烯层间不同堆垛方式对电子结构和基本特性的影响。3、在石墨烯中掺杂其它原子可以使材料的物理化学特性发生明显的改变,从而可以构成很多新的材料,因此石墨烯掺杂也是很有意义的研究内容。因此在第五章中我们用B原子嵌入石墨烯,替代其中的碳原子。研究中分别用一个和二个B原子嵌入,首先进行优化计算,得到掺杂后模型的改变,研究他们的电子结构,包括键长和键角的变化,密立根电荷分布、偶极矩、分子轨道密度、能隙和电子态密度。在耦合电极后计算了其传输谱和传输路径,讨论了掺杂之后的特性变化,揭示了不同掺杂原子数目对基本特性的影响。最后一章我们对本文的工作进行了总结与归纳,并对这一研究领域的发展作了简要的展望。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章石墨烯  9-17
  1.1 石墨烯的发展历程  9-10
  1.2 石墨烯基本性质  10-13
    1.2.1 几何结构  10-11
    1.2.2 最小电导率  11-12
    1.2.3 反常的量子霍尔效应  12-13
    1.2.4 Klein 佯谬  13
  1.3 石墨烯的制备方法  13-14
    1.3.1 微机械剥离方法  13-14
    1.3.2 氧化石墨还原方法  14
    1.3.3 表面外延生长法  14
    1.3.4 石墨层间化合物  14
  1.4 石墨烯的表征方法  14-15
  1.5 石墨烯的应用前景  15-16
    1.5.1 石墨烯在超级电容器中的应用  15
    1.5.2 场效应晶体管（纳米电子器件）  15-16
    1.5.3 太阳能电池  16
  1.6 石墨烯近期研究成果  16
  1.7 本文要研究的工作  16-17
第二章理论计算方法  17-27
  2.1 量子化学从头算（ab inito）方法  17
  2.2 密度泛函理论  17-21
    2.2.1 Hohenberg- Kohn 定理  17
    2.2.2 Kohn-Sham 方法.  17-18
    2.2.3 DFT 近似中处理交换-相关项的近似方案  18-20
    2.2.4 外部势的处理  20-21
  2.3 格林函数  21-23
    2.3.1 关于格林函数的简介  21
    2.3.2 平衡格林函数方法(Equilibrium Green Function, EGF)  21-22
    2.3.3 非平衡格林函数方法  22-23
  2.4 分子器件输运性质计算  23-25
    2.4.1 Landauer-Büttiker 公式  23
    2.4.2 纳米导体中的电流公式  23-25
  2.5 计算软件  25-27
第三章石墨烯弯曲形变的电子结构和特性的研究  27-37
  3.1 石墨烯带模型  27-28
  3.2 计算方法  28-30
    3.2.1 能带的计算  28
    3.2.2 传输谱和态密度的计算  28-30
    3.2.3 传输谱和态密度的计算  30
  3.3 计算结果  30-33
    3.3.1 优化后模型  30-32
    3.3.2 密立根电荷  32-33
    3.3.3 分子轨道分布  33
  3.4 石墨烯带组成的传输系统  33-36
    3.4.1 电子传输特性  34-36
  3.5 小结  36-37
第四章双层石墨烯的电子结构和特性的研究  37-43
  4.1 双层石墨烯模型  37-38
  4.2 计算结果  38-41
    4.2.1 分子轨道分布  38-39
    4.2.2 能级  39
    4.2.3 电子传输  39-41
  4.3 小结  41-43
第五章 B 掺杂石墨烯带的电子结构和特性  43-51
  5.1 模型  43-44
  5.2 计算结果  44-48
    5.2.1 几何结构及密立根电荷  44-45
    5.2.3 电子态密度  45-46
    5.2.3 能级和轨道密度  46-48
  5.3 传输特性  48-49
  5.4 小结  49-51
第六章总结与展望  51-53
致谢  53-55
参考文献  55-59
附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文  59

石墨烯弯曲形变的电子结构和特性的研究

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