本文關(guān)鍵詞：形狀、尺寸相關(guān)的石墨烯量子點(diǎn)電子結(jié)構(gòu)

  更多相關(guān)文章： 石墨烯 石墨烯量子點(diǎn) 緊束縛模型 能帶結(jié)構(gòu)

【摘要】：2004年Novoselov等通過(guò)機(jī)械剝離法成功的從高定向的石墨中制備出只有一個(gè)碳原子層厚的二維石墨烯,這一新型的碳納米材料在光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等領(lǐng)域突顯出奇特的物理特性。但由于石墨烯材料的能帶結(jié)構(gòu)中不存在能隙,所以在光電器件方面的實(shí)際應(yīng)用受到了限制。當(dāng)改變石墨烯的尺寸使其尺寸達(dá)到10nm以下時(shí),研究發(fā)現(xiàn)石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)能隙,我們把這種尺寸小于10nm的石墨烯稱之為石墨烯量子點(diǎn)。在伴隨著材料工藝的不斷發(fā)展進(jìn)步,現(xiàn)在可以用各種方法制備出不同形狀(圓盤(pán)形、三角形、六角形、正方形等)和不同邊界(扶手型,鋸齒型)的石墨烯量子點(diǎn)。這是一種準(zhǔn)零維納米結(jié)構(gòu)材料,因?yàn)榱孔狱c(diǎn)受到尺寸約束、不同形狀和不同邊界條件的影響,導(dǎo)致其將會(huì)產(chǎn)生一系列新奇的物理性質(zhì),尤其在光電子學(xué)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景,所以廣泛的引起了科學(xué)家的研究興趣。本文主要做了以下內(nèi)容:(1)采用緊束縛模型來(lái)描述圓盤(pán)形石墨烯量子點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu),寫(xiě)出電子運(yùn)動(dòng)所滿足的狄拉克方程,用有限差分法分別對(duì)扶手型和鋸齒型石墨烯量子盤(pán)進(jìn)行中心差分和向前差分,獲得了該狄拉克方程的數(shù)值解,即扶手型和鋸齒型石墨烯量子盤(pán)的電子能態(tài);同時(shí),我們用無(wú)限質(zhì)量邊界近似,求解了該狄拉克方程的解析解,也獲得了此種近似邊界條件下石墨烯量子盤(pán)的電子能態(tài)。(2)對(duì)于三角形石墨烯量子點(diǎn),本文采用基于密度泛函理論的廣義梯度近似方法來(lái)描述其量子點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu);采用PW91進(jìn)行關(guān)聯(lián)梯度對(duì)鋸齒型邊界的三角形石墨烯量子點(diǎn)進(jìn)行幾何優(yōu)化;通過(guò)自旋非限制方法優(yōu)化量子點(diǎn)中的多重度自旋;利用Mulliken來(lái)計(jì)算得到體系內(nèi)軌道的電荷占據(jù)和自旋的情況;分別通過(guò)兩個(gè)波函數(shù)選用的雙數(shù)值極化基矢來(lái)表示碳的2s與2p軌道上的不同電子狀態(tài),軌道極化現(xiàn)象通過(guò)3d的軌道波函數(shù)來(lái)解析;采用Z10-GNGs來(lái)分析數(shù)據(jù)總電子的態(tài)密度與分電子的態(tài)密度情況。研究結(jié)果表明:石墨烯量子盤(pán)中電子出現(xiàn)分立能級(jí);無(wú)磁場(chǎng)時(shí),隨著量子盤(pán)的半徑增大,兩種邊界的量子盤(pán)能級(jí)都降低,且?guī)蹲冋?能態(tài)密度增大;從能譜中可以發(fā)現(xiàn)扶手型量子盤(pán)中導(dǎo)帶和價(jià)帶能級(jí)表現(xiàn)出對(duì)稱,而鋸齒型量子盤(pán)出現(xiàn)了零能量的邊界態(tài);當(dāng)加入垂直磁場(chǎng)時(shí),扶手型量子盤(pán)的電子能譜左右對(duì)稱性被破壞,同時(shí)出現(xiàn)最低朗道能級(jí);隨著量子盤(pán)的尺寸增大扶手型量子盤(pán)最低朗道能級(jí)的簡(jiǎn)并度增大,而鋸齒型量子盤(pán)能量為零的邊界態(tài)簡(jiǎn)并度未發(fā)生改變,但能譜出現(xiàn)了向左傾斜。在三角鋸齒型石墨烯量子點(diǎn)中,電子態(tài)密度受到尺寸效應(yīng)的影響,且電子的態(tài)密度呈現(xiàn)出金屬性;隨著量子點(diǎn)的尺寸減小尺寸效應(yīng)影響越大,反之隨著量子點(diǎn)尺寸的增大尺寸效應(yīng)影響越小;同時(shí)電子體系自旋多重度與量子點(diǎn)的尺寸成正比關(guān)系。本文的研究結(jié)果為石墨烯量子點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作者提供理論方向的參考作用,以及石墨烯量子點(diǎn)在光電器件應(yīng)用中提供理論的指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 石墨烯量子點(diǎn) 緊束縛模型 能帶結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：云南師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O471.1
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-25
• 1.1 引言10-11
• 1.2 石墨烯11-13
• 1.2.1 石墨烯的性質(zhì)12-13
• 1.2.2 石墨烯的應(yīng)用13
• 1.3 石墨烯量子點(diǎn)13-22
• 1.3.1 石墨烯量子點(diǎn)的制備14-18
• 1.3.2 石墨烯量子點(diǎn)的性能18-19
• 1.3.3 石墨烯量子點(diǎn)的應(yīng)用19-22
• 1.4 石墨烯納米結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景22-25
• 1.4.1 研究現(xiàn)狀22-23
• 1.4.2 發(fā)展前景23-25
• 第二章 石墨烯量子點(diǎn)的單電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法25-37
• 2.1 緊束縛方法25-29
• 2.2 次近鄰電子29-30
• 2.3 有效質(zhì)量30
• 2.4 連續(xù)模型拉克方程30-32
• 2.5 外加磁場(chǎng)與石墨烯量子點(diǎn)電子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系32-34
• 2.6 有限差分法34-37
• 第三章 圓盤(pán)形石墨烯量子點(diǎn)電子能態(tài)的尺寸效應(yīng)37-48
• 3.1 理論模型37-38
• 3.2 計(jì)算方法38-41
• 3.2.1 無(wú)限質(zhì)量邊界條件計(jì)算方法38-40
• 3.2.2 數(shù)值計(jì)算方法40-41
• 3.3 計(jì)算結(jié)果與討論41-46
• 3.4 結(jié)論46-48
• 第四章 三角形石墨烯量子點(diǎn)的電子能態(tài)的尺寸效應(yīng)48-58
• 4.1 三角形石墨烯量子點(diǎn)48-49
• 4.2 計(jì)算模型和計(jì)算方法49-54
• 4.2.1 模型的選取和建構(gòu)49-50
• 4.2.2 計(jì)算方法和參數(shù)50-54
• 4.3 計(jì)算結(jié)果與討論54-56
• 4.3.1 不同大小尺寸下的三角形量子點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)54-55
• 4.3.2 量子點(diǎn)模型在不同大小尺寸下的電子態(tài)密度55-56
• 4.4 結(jié)論56-58
• 第五章 總結(jié)與展望58-60
• 參考文獻(xiàn)60-63
• 攻讀學(xué)位期間取得的研究成果63-64
• 致謝64

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