【摘要】：自2004年,石墨烯被實驗上制備以來,石墨烯就以其豐富而新奇的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)得到了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。石墨烯具有高電子遷移率和非常低的電阻率,其被預(yù)言可以取代硅作為下一代制備納米電子器件的材料。在過去的十余年中,石墨烯已經(jīng)成為國內(nèi)外備受矚目的前沿和熱點,在微電子、材料、信息、能源、環(huán)境和生物醫(yī)藥等方面取得了卓越的發(fā)展及成果。為了獲得各種石墨烯基的電子器件,必須調(diào)制石墨烯的電磁輸運性質(zhì)。摻雜和吸附是調(diào)控石墨烯結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的有效手段。將二維石墨烯結(jié)構(gòu)裁剪為準(zhǔn)一維的石墨烯納米帶,可以大大拓展石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用范圍。同時,相對于單層石墨烯,雙層石墨烯具有獨一無二的電子特性,但是對于雙層石墨烯的研究卻相對較少。因此,在這篇文章中,利用基于密度泛函理論的第一性原理方法,首先研究了 zigzag型和linear型過渡金屬Ti原子鏈在石墨烯納米帶表面的吸附特性,討論Ti原子鏈對不同寬度石墨烯納米帶電子性質(zhì)的調(diào)控規(guī)律;其次研究了氣體分子CO_2、CH_4、H_2O在Cr原子摻雜的雙層石墨烯表面的吸附特性,重點討論了摻雜吸附系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)。全文的結(jié)論如下:(1)zigzag型和linear型Ti原子鏈都可以穩(wěn)定吸附在不同寬度的石墨烯納米帶上。對于同一寬度的石墨烯納米帶,Ti原子鏈吸附在納米帶的邊緣(10ZG-1、11ZG-1、12ZG-1和13ZG-1以及10LG-1、11LG-1、12LG-1和13LG-1)位置時最為穩(wěn)定,且穩(wěn)定程度隨著納米帶寬度的增加而增加。Ti原子鏈吸附在不同寬度石墨烯納米帶的不同位置,呈現(xiàn)不同的電子結(jié)構(gòu)特性。1OZG-1、10ZG-2、11ZG-2和13LG-2的吸附體系表現(xiàn)出半金屬特性,其余吸附體系都為金屬性質(zhì)。石墨烯納米帶吸附zigzag型和linear型Ti原子鏈的體系都具有磁性,其磁性主要來源于Ti原子。當(dāng)zigzag型Ti原子鏈吸附在納米帶邊緣時,兩類Ti原子中,TiA原子的磁矩總是小于TiB原子的磁矩;隨著Ti原子鏈吸附位置趨向納米帶寬度的中心位置,兩類Ti原子的磁矩趨于相等。研究結(jié)果表明,zigzag型和linear型Ti原子鏈的吸附能有效調(diào)控石墨烯納米帶的電子與磁性質(zhì)。(2)對于Cr原子替代摻雜的雙層石墨烯,氣體分子CO_2、CH_4和H_2O均可以穩(wěn)定吸附在其表面,而且所有的吸附過程都是物理吸附。CO_2以O(shè)_1方式為最優(yōu)吸附,CH_4以C_1方式為最優(yōu)吸附,H_2O以H_3方式為最優(yōu)吸附。同時,CO_2和H_2O吸附在Cr摻雜的雙層石墨烯表面的能力要強(qiáng)于CH_4。CO_2、CH_4和H_2O分子以不同的方式吸附在Cr摻雜雙層石墨烯上,呈現(xiàn)出不同的電子結(jié)構(gòu)特性。氣體分子以O(shè)_1,C_1,H_1,H_2和H_3的吸附方式使得吸附體系呈現(xiàn)很強(qiáng)的金屬性,這種金屬性主要來源于Cr原子與雙層石墨烯表面附近C原子之間的相互作用。同時,CO_2、CH_4和H_2O在Cr摻雜雙層石墨烯上的吸附體系都具有磁性,這種磁性主要來源于過渡金屬Cr原子。研究結(jié)果能夠為石墨烯基的傳感器等納米電子器件提供重要的理論依據(jù)和實驗指導(dǎo)。
【圖文】：

由一層層排列有序的碳原子平面堆疊而成的，它的層間有較弱的相互作成很薄的石墨片。把這些薄片再進(jìn)行分離成只有一個碳原子厚度的平。從 20 世紀(jì)初開始，科學(xué)家就已經(jīng)開始對石墨烯進(jìn)行了研究。Boehm首次提出了石墨烯的概念，他們指出理想的石墨烯是一種二維無限大的只有一個碳原子厚度。不久之后，Landau 等人就提出石墨烯這種二維上不可能單獨存在[3]。同時，由于之前實驗上一直沒有制備出穩(wěn)定的所以人們一度認(rèn)為石墨烯無法存在于現(xiàn)實生活中。直到 2004 年，石墨ovoselov 在實驗上成功地制備出來[4]，從而填補(bǔ)了這個空白，說明了石于現(xiàn)實中。這樣，碳家族的所有成員就被集齊了，即三維（金剛石和烯）、一維（碳納米管）和零維（富勒烯）構(gòu)型，它們共同組成了碳家烯的結(jié)構(gòu)石墨烯是一種單原子層厚度的平面六角形點陣結(jié)構(gòu)，如圖 1.1 所示，nm，是目前實驗室能夠制備出的最薄的材料。石墨烯結(jié)構(gòu)中每個六元環(huán)

西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文勻的sp2雜化形成，，每個碳原子與它周圍最近鄰的三個碳原子都以 σ-碳鍵之間的夾角為 120 度，碳碳鍵長為 1.420 ，鍵能很強(qiáng)，石墨烯結(jié)構(gòu)。當(dāng)石墨烯受到外力的擠壓或者沖擊時，由于其內(nèi)部碳原子之間性，雖然石墨烯碳原子平面會發(fā)生變形，但是其內(nèi)部的碳原子不會重 可以看出[5]，石墨烯是碳家族體系中其它維度的同素異形體的基本構(gòu)曲為零維的富勒烯，卷成一維的碳納米管，也可以堆疊成三維的石墨
【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O613.71;O647.3

【參考文獻(xiàn)】

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1 何旭;劉曉強(qiáng);何冰;王晗光;劉旭東;田之悅;儲偉;薛英;;煤層氣在含Al,Si,P和S煤結(jié)構(gòu)模型上吸附的密度泛函理論研究[J];高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報;2015年09期

2 劉曉強(qiáng);田之悅;儲偉;薛英;;CH_4,CO_2和H_2O在非金屬原子修飾石墨烯表面的吸附[J];物理化學(xué)學(xué)報;2014年02期

3 毛金海;張海剛;劉奇;時東霞;高鴻鈞;;Graphene的物理性質(zhì)與器件應(yīng)用[J];物理;2009年06期

本文編號：2690980