本文關(guān)鍵詞：應(yīng)變下氮和硼替位摻雜石墨烯的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)

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【摘要】：石墨烯由于具有獨特的二維結(jié)構(gòu)特征,因而表現(xiàn)出奇異的力學(xué)性能、電學(xué)性能及熱力學(xué)性能,有望在納米電子器件方面、傳感器方面、復(fù)合材料方面和儲能方面得到廣泛的應(yīng)用。尤其是由于它絕佳的電子性能,決定了石墨烯有可能替代半導(dǎo)體塊體硅材料成為新一代納米電子器件的基礎(chǔ)材料。但是由于石墨烯是一種半金屬材料,帶隙寬度為零,直接應(yīng)用于納米尺度電子器件或電子電路中的范圍非常有限,所以如何有效地控制其電子結(jié)構(gòu)是應(yīng)用中最重要的一環(huán)。研究發(fā)現(xiàn),通過對石墨烯進行氮(硼)的替位摻雜可以獲得n(p)-石墨烯半導(dǎo)體,并可以通過改變其摻雜濃度來調(diào)節(jié)其性質(zhì)。而在實際的應(yīng)用中,由于與襯底或其他環(huán)境的作用,會使得石墨烯的結(jié)構(gòu)發(fā)生形變,并且這種形變會影響石墨烯的物理、化學(xué)性質(zhì),因此對N(B)摻雜對石墨烯在應(yīng)變之下的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)的研究非常重要。本文中,采用基于密度泛函理論的第一性原理計算(從頭計算)方法,研究了氮和硼摻雜石墨烯在不同應(yīng)變之下的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì),研究的結(jié)果主要分為以下幾部分:1、對無摻雜純凈石墨烯、N替位摻雜石墨烯和B替位摻雜石墨烯體系進行了結(jié)構(gòu)弛豫計算,得到了平衡狀態(tài)下各個體系的的晶格常數(shù):本征石墨烯體系的晶格常數(shù)為1.4683nm;N摻雜石墨烯的晶格常數(shù)為1.4663nm;B摻雜石墨烯體系的晶格常數(shù)為1.4713nm。與本征石墨烯相比,N摻雜石墨烯的晶格常數(shù)減小,B摻雜石墨烯的晶格常數(shù)增大。2、研究了各體系的總能量隨應(yīng)變的變化趨勢,發(fā)現(xiàn)對于純凈石墨烯,在應(yīng)變30%時體系的總能發(fā)生突變,體系在應(yīng)變大于30%的情況下不再處于彈性應(yīng)變范圍,即純石墨烯的臨界應(yīng)變?yōu)?0%;而對于氮硼摻雜石墨烯,得到的臨近應(yīng)變分別為17.6%、17.4%,表明摻雜后體系的彈性應(yīng)變范圍顯著減小。3、通過分析電子局域化函數(shù)來對體系進行成鍵分析。對于純凈石墨烯,我們發(fā)現(xiàn)在彈性應(yīng)變范圍時,石墨烯中每個原子與其最近鄰原子都有互成120度角對稱分布的三個吸引子,可見碳碳之間存在牢固的共價結(jié)合。而在非彈性應(yīng)變范圍,碳原子之間的吸引子出現(xiàn)明顯的分離現(xiàn)象,電子高局域化區(qū)域在移向各個碳原子的周圍;對于氮硼摻雜體系,發(fā)現(xiàn)在小于等于臨界應(yīng)變時,能保持原有的六角晶格不變,在進入非彈性應(yīng)變范圍時,體系不再保持原有的成鍵特征,C-N(B)鍵斷裂,原子鍵形成原子鏈或團簇。4、通過對本征石墨烯和摻雜石墨烯電子性質(zhì)研究,發(fā)現(xiàn)在對稱應(yīng)變下,本征石墨烯體系保持零帶隙不變,而在進行氮(硼)原子的替位摻雜之后,費米能級處出現(xiàn)電子態(tài),石墨烯體系從零帶隙半金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘?并且應(yīng)變對N(B)摻雜石墨烯的費米能級有調(diào)節(jié)作用。
【關(guān)鍵詞】：第一性原理 石墨烯 應(yīng)變 摻雜
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O613.71
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 第1章 緒論9-18
• 1.1 碳元素及其異構(gòu)體9-12
• 1.1.1 金剛石10
• 1.1.2 石墨10
• 1.1.3 富勒烯10-11
• 1.1.4 碳納米管11-12
• 1.2 石墨烯的介紹12
• 1.3 石墨烯的制備12-14
• 1.3.1 微機械剝離法12-13
• 1.3.2 液相剝離法13
• 1.3.3 化學(xué)氣相沉積法13-14
• 1.3.4 碳化硅熱解法14
• 1.4 石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)14-16
• 1.4.1 力學(xué)性能15-16
• 1.4.2 電學(xué)性質(zhì)16
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容16-18
• 第2章 理論方法簡介18-23
• 2.1 密度泛函理論18-23
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn定理18-19
• 2.1.2 Kohn-Sham方程19-21
• 2.1.3 交換關(guān)聯(lián)泛函21-23
• 第3章 氮硼替位摻雜對石墨烯片在應(yīng)變條件下結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)的調(diào)制23-30
• 3.1 引言23
• 3.2 模型與方法23-25
• 3.3 結(jié)果與討論25-29
• 3.4 小結(jié)29-30
• 第4章 總結(jié)與展望30-32
• 4.1 總結(jié)30
• 4.2 展望30-32
• 參考文獻(xiàn)32-35
• 致謝35

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本文編號：871334