磷烯是一種具有褶皺蜂窩層狀結(jié)構(gòu)的二維材料,有著優(yōu)異的光、電、磁等性能,在半導(dǎo)體、光催化、電化學(xué)儲(chǔ)能等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。然而磷烯在空氣或水中會(huì)因?yàn)閲?yán)重的表面氧化而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。研究表明,將磷烯與另一種具有良好化學(xué)穩(wěn)定性的二維基體材料（如石墨烯）結(jié)合形成二維異質(zhì)結(jié)可有效抑制磷烯表面氧化。與本征石墨烯相比,氮摻雜石墨烯通過(guò)不同類型的氮摻雜可實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯性能的精細(xì)調(diào)控從而獲得更好的光電性能,高的表面反應(yīng)活性和良好的生物相容性等,從而為其實(shí)際應(yīng)用提供更多潛在可能。本文針對(duì)二維氮摻雜石墨烯/磷烯異質(zhì)結(jié)的力學(xué)性能及儲(chǔ)鈉行為進(jìn)行了系統(tǒng)地研究,主要工作和內(nèi)容如下:（1）從理論上設(shè)計(jì)構(gòu)建了四種類型的二維磷烯/石墨烯異質(zhì)結(jié),分別由本征石墨烯及三種常見(jiàn)類型的氮摻雜石墨烯（石墨型氮摻雜石墨烯、吡啶型氮摻雜石墨烯、吡咯型氮摻石墨烯）與磷烯異質(zhì)組成。通過(guò)第一性原理計(jì)算,對(duì)構(gòu)建的四種異質(zhì)結(jié)的幾何結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)、力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。計(jì)算結(jié)果表明,四種二維異質(zhì)結(jié)都具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,同時(shí)各異質(zhì)結(jié)繼承了石墨烯基底優(yōu)異的力學(xué)性能。相比于本征石墨烯/磷烯異質(zhì)結(jié),由于氮原子的摻雜改變了本征石... 

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本征石墨烯及三種氮摻雜石墨烯晶體烯；(c)吡啶型氮摻雜石墨

湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文4于導(dǎo)電，同時(shí)磷烯在空氣及水中不穩(wěn)定，容易被氧化而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，這限制了其實(shí)際應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，許多科研研究者致力于對(duì)磷烯進(jìn)行摻雜、缺陷、吸附等調(diào)控手段以提高磷烯的性能，或者通過(guò)與其他二維材料異質(zhì)形成新的二維結(jié)構(gòu)來(lái)提高材料的電子性能，提高磷烯的穩(wěn)定性[15]。圖1.2磷烯晶體示意圖1.2.3二維異質(zhì)結(jié)二維材料無(wú)論是多層還是單層，其上下兩個(gè)表面的原子都會(huì)暴露在外面，這為科研人員研究二維材料的復(fù)合與表面改性提供了多種選擇。在材料科學(xué)中，復(fù)合材料指將不同性質(zhì)的材料優(yōu)化組合而形成的新材料，其核心為取長(zhǎng)補(bǔ)短，多為兩種或多種材料各有優(yōu)點(diǎn)，各有缺點(diǎn)，且一種材料的優(yōu)點(diǎn)恰好能彌補(bǔ)另一種材料的缺點(diǎn)，因此得到的復(fù)合材料不僅能保持各部分材料的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兩種或者多種材料互補(bǔ)能夠得到單一材料所不具備的優(yōu)良性能。在微觀層面上，研究人員將兩種或兩種以上的不同的二維材料垂直堆疊在一起形成一種新的二維材料，這種二維材料稱之為范德華異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)的各組分之間并沒(méi)有形成化學(xué)鍵，也就意味著彼此之間不具備化學(xué)連接，各組分通過(guò)相對(duì)較弱的范德華相互作用力物理組裝在一起。早在2013年，Geim和Novoselov就對(duì)由不同二維單層材料搭建而成的范德華異質(zhì)結(jié)的性能進(jìn)行了一次深入的探討[16]。異質(zhì)結(jié)的模型示意圖如圖1.3所示，科學(xué)家形象地將范德華異質(zhì)結(jié)比喻為樂(lè)高玩具，人們可以將不同的材料一層一層地堆積起來(lái)，不同材料，不同的搭建方法，可以構(gòu)造出多種性能各異的范德華異質(zhì)結(jié)，這些二維單層材料的組合在性能上將超越單一的二維材料。自石墨烯成功制備以后，其大量的二維材料出現(xiàn)，也為研究人員設(shè)計(jì)不同的異質(zhì)結(jié)提供了許多可供選擇的材料。合成不同種類的二維異質(zhì)結(jié)材料僅僅只更改其?

湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文5圖1.3范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖[16]迄今為止，已有大量關(guān)于異質(zhì)結(jié)材料的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)合成研究。形如：Bian等[18]利用密度泛函理論研究了平面應(yīng)變下多層黑磷烯和磷烯/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明，在AA，AB和AC堆垛次序下，直接帶隙轉(zhuǎn)化為間接帶隙的臨界應(yīng)變分別為10.5％，11％和9％，異質(zhì)結(jié)從P型肖特基能壘轉(zhuǎn)變到N型的臨界應(yīng)變?yōu)?.5%，所得理論計(jì)算結(jié)果可用于指導(dǎo)異質(zhì)結(jié)應(yīng)用于壓力傳感器器件。Guo等[19]基于第一性原理，研究了藍(lán)磷烯/類石墨烯的GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)藍(lán)磷烯/類石墨烯的GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的邊界能帶隨費(fèi)米能級(jí)強(qiáng)度變化，并生成II型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部電場(chǎng)有利于電子空穴對(duì)的分離，并限制了藍(lán)磷烯/類石墨烯GaN界面中的載流子復(fù)合，表明該異質(zhì)結(jié)是一種潛在的光解水材料。Khandelwal等[20]介紹了黑磷烯眾多合成方法，涵蓋液相剝離，機(jī)械剝離，高溫高壓誘導(dǎo)等，并就黑磷烯的優(yōu)異電子性能作了大量報(bào)道。目前在儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)κ┡c其他二維材料形成的異質(zhì)結(jié)已經(jīng)有許多的研究和應(yīng)用，如石墨烯(Graphene)/磷烯(Phosphorene)異質(zhì)結(jié)，石墨烯(Graphene)/二硫化鉬(MoS2)異質(zhì)結(jié)，石墨烯(Graphene)/六方氮化硼(BN)異質(zhì)結(jié)等。這些范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出它們的單一組件更高特性，而各單層材料各自電子性質(zhì)的保留正是由于層間的較弱的范德華力連接。Guo[21]等通過(guò)理論計(jì)算研究了磷烯/石墨烯異質(zhì)結(jié)在Li離子電池負(fù)極材料方面的應(yīng)用，結(jié)果表明磷烯/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比于單層材料極大地提高了吸附能，同時(shí)Li離子在層間地遷移率也與單層結(jié)構(gòu)中的相差很校磷烯與石墨烯的結(jié)合還大大加強(qiáng)了單層磷烯的剛度，有效地減少單層磷烯在嵌鋰之后結(jié)構(gòu)的變形及膨脹，大大提高Li離子電池的循環(huán)壽命。這些結(jié)果說(shuō)明

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]氮原子吸附鋸齒型石墨烯納米帶第一原理研究[J]. 于陜升,鄭偉濤.  中國(guó)科技論文在線. 2009(04)



本文編號(hào)：3039081