本文選題：石墨烯納米帶 + 第一性原理�。� 參考：《西南大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：自2004年石墨烯(graphene)首次被英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家Novoselov和Geim從石墨中通過(guò)機(jī)械剝離的方法制備以來(lái),它便以其特殊的二維結(jié)構(gòu)、原子層厚度和優(yōu)異的物理、化學(xué)性能,引起了科研人員的廣泛關(guān)注。但由于石墨烯是零帶隙的,它這種特殊的能帶結(jié)構(gòu)限制了它在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,比如它很不容易產(chǎn)生光致發(fā)光的現(xiàn)象。于是科學(xué)家嘗試用多種方法來(lái)改造石墨烯,比如把石墨烯裁剪成寬度較窄的石墨烯納米帶(graphene nanoribbons,GNRs)。GNRs具有帶隙,它是一種準(zhǔn)一維的半導(dǎo)體材料,極大地?cái)U(kuò)展了石墨烯材料的應(yīng)用領(lǐng)域。GNRs迅速成為了近年來(lái)的熱門(mén)研究對(duì)象,并且也取得了快速地發(fā)展。科研人員一方面不斷地改善著GNRs的制備方法,另一方面還積極地研究著它的電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)等。同時(shí)還嘗試摻雜、缺陷等方法來(lái)修飾GNRs,不斷地優(yōu)化其性質(zhì),拓展其應(yīng)用。GNRs是目前最受歡迎的半導(dǎo)體石墨烯材料之一,針對(duì)GNRs的可控方法對(duì)于未來(lái)的光學(xué)應(yīng)用是非常有用的,但是針對(duì)表面功能化的GNRs影響還缺乏一些系統(tǒng)的研究,本文通過(guò)第一性原理計(jì)算,主要研究了表面官能團(tuán)吸附對(duì)GNRs的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響,以及Stone-Wales缺陷和在缺陷上氫化對(duì)GNRs的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。全文一共分為五章,本文的主要研究?jī)?nèi)容包括:第一章簡(jiǎn)單回顧了各種碳基納米材料的發(fā)現(xiàn)歷史以及研究現(xiàn)狀,并重點(diǎn)介紹了GNRs的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。目前GNRs在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)有多種制備方法被報(bào)道,GNRs也在場(chǎng)效應(yīng)管、電子器件和傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出了其不可估量的潛在應(yīng)用價(jià)值。第二章簡(jiǎn)單地介紹了密度泛函理論(density functional theory,DFT)的發(fā)展歷史和基本結(jié)構(gòu)框架,還介紹了Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程,以及幾個(gè)基于DFT的計(jì)算軟件。本文中主要的軟件有8)7)3,Quantum ESPRESSO和Yambo。第三章主要通過(guò)第一性原理計(jì)算研究了表面官能團(tuán)吸附的扶手椅邊緣型納米帶結(jié)構(gòu)(W(n)-X armchair GNRs,W(n)-X AGNRs)的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì),其中寬度指數(shù)n分別取值n=8,9和10,X表示官能團(tuán)CH3,NH2,NO2和OH。我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)官能團(tuán)擴(kuò)大了W8和W9的帶隙,并降低了W10的帶隙。帶隙的變化可以簡(jiǎn)單從成鍵特征來(lái)分析。在所有的W10-X結(jié)構(gòu),大部分激子波函數(shù)位于被官能團(tuán)分割的大的區(qū)域。此外,W10-NO2具有光吸收強(qiáng)度高和激子結(jié)合能弱等特點(diǎn),表明了這種結(jié)構(gòu)具有潛在的光學(xué)應(yīng)用,比如熒光發(fā)光和光伏等應(yīng)用。第四章主要通過(guò)第一性原理計(jì)算研究了Stone-Wales缺陷和氫化的AGNRs的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。我們根據(jù)成鍵特征分析帶隙的變化,發(fā)現(xiàn)SW缺陷增大了W8的帶隙,并且減小了W9和W10的帶隙。氫化增加了W8-和W9-SW的帶隙,并且降低了W10-SW的帶隙。W10-SW-H結(jié)構(gòu)中的激子有明顯的量子限域效應(yīng),即激子波函數(shù)的分布位于同一個(gè)邊緣附近。此外,W10-SW和W10-SW-H結(jié)構(gòu)之間的激子結(jié)合能差異僅為0.08 eV,具有未來(lái)應(yīng)用于納米級(jí)光學(xué)開(kāi)關(guān)的可能。由于W9-SW較強(qiáng)的光吸收和較小的激子結(jié)合能,它具有應(yīng)用于發(fā)光和光伏器件的潛在價(jià)值。第五章主要總結(jié)了本文的研究結(jié)果并對(duì)未來(lái)GNRs的應(yīng)用進(jìn)行了展望。我們的工作為GNRs的潛在應(yīng)用提供了一些理論上的依據(jù)。
[Abstract]:Since Shi Moxi (graphene) was first prepared by Novoselov and Geim from the University of Manchester in 2004 by mechanical peeling from graphite, it has attracted extensive attention for its special two-dimensional structure, atomic layer thickness and excellent physical and chemical properties. However, graphene is zero band gap, it is a zero band gap. This special band structure restricts its application in the field of optics, such as it is not easy to produce photoluminescence. Scientists have tried to transform graphene in many ways, such as cutting graphene into a narrower graphene nanoribbons, GNRs.GNRs with a band gap, which is a quasi one dimension. Semiconductor materials have greatly expanded the application field of graphene materials, and.GNRs has rapidly become a hot research object in recent years, and has also achieved rapid development. On the one hand, researchers have continuously improved the preparation methods of GNRs. On the other hand, the electrical properties, magnetic properties and optical properties of it are also actively studied. We also try to modify GNRs, optimize its properties, optimize its properties, and expand its application.GNRs as one of the most popular semiconductor graphene materials. The controllable method for GNRs is very useful for future optical applications, but there is still a lack of systematic research on the effect of GNRs on surface functionalization. In the first principle, the effect of surface functional group adsorption on the electronic structure and optical properties of GNRs, and the effects of Stone-Wales defects and hydrogenated on the defects on the electronic structure and optical properties of GNRs are studied. The full text is divided into five chapters. The main contents of this paper include: the first chapter briefly reviews various carbon based nanoscale The discovery history and research status of the material, and the emphasis on the structure and properties of GNRs. At present, GNRs has been reported in the experiment, GNRs also shows its inestimable potential application value in field of field effect tubes, electronic devices and sensors. In the second chapter, the density functional theory (density) is briefly introduced. The development history and basic structure framework of functional theory, DFT, the Hohenberg-Kohn theorem and Kohn-Sham equation, and several DFT based computing software. The main software in this paper is 8) 7) 3, Quantum ESPRESSO and Yambo. third mainly study the edge type of the armchair adsorbed by the surface functional group by the first principle. The electronic structure and optical properties of W (n) -X armchair GNRs, W (n) -X AGNRs), in which the width exponent n values n=8,9 and 10 respectively. The W10-X structure, most of the exciton wave function is located in the large area divided by the functional group. In addition, W10-NO2 has the characteristics of high light absorption strength and weak binding energy of exciton. It shows that this structure has potential optical applications, such as fluorescent luminescence and photovoltaic applications. The fourth chapter is mainly to study the Stone-Wales deficiency through the first principle. The electronic structure and optical properties of the trapped and hydrogenated AGNRs are analyzed by the bond forming characteristics. It is found that the SW defect increases the band gap of W8 and reduces the band gap of W9 and W10. Hydrogenating increases the band gap of W8- and W9-SW, and reduces the quantum confinement effect of the exciton in the band gap.W10-SW-H structure of W10-SW, that is exciton. The distribution of wave functions is located near the same edge. In addition, the difference of exciton binding energy between W10-SW and W10-SW-H structures is only 0.08 eV, which has the potential to be applied to nanoscale optical switches in the future. Because of the strong absorption of W9-SW and the smaller exciton binding energy, it has the potential value for the application of light emitting and photovoltaic devices. The fifth chapters are mainly concerned. The research results in this paper are summarized and the application of GNRs in the future is prospected. Our work provides some theoretical basis for the potential application of GNRs.

【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB383.1;O613.71

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本文編號(hào)：1888956