發(fā)布時(shí)間：2020-03-21 23:38

【摘要】：石墨烯和六方氮化硼(h-BN)都是層間以范德華力結(jié)合的二維材料,二者均具有諸多奇特且優(yōu)異的性能,在很多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。而石墨烯和h-BN的區(qū)域混合結(jié)構(gòu)(h-BNC)是一種新型的二維材料,即石墨烯和h-BN在層內(nèi)的橫向異質(zhì)結(jié)構(gòu)。它具有石墨烯和h-BN的很多優(yōu)點(diǎn),帶隙介于石墨烯和h-BN中間。本研究對(duì)石墨烯、h-BN和h-BNC進(jìn)行了第一性原理的密度泛函理論計(jì)算,對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)及其他一些性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。石墨烯和h-BN均在航空航天領(lǐng)域有所應(yīng)用,而低地球軌道的航天器需要在富原子氧的環(huán)境下工作,所以對(duì)石墨烯和h-BN在富原子氧環(huán)境下的性能表現(xiàn)研究是很有必要的。而對(duì)于h-BNC,現(xiàn)在仍然缺少可以準(zhǔn)確調(diào)控其帶隙值的制備工藝。針對(duì)這些背景,作了如下幾項(xiàng)研究:對(duì)氧原子的吸附和摻雜對(duì)h-BN的電學(xué)性能影響進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示,所有原子氧在h-BN上的吸附都會(huì)使h-BN的帶隙下降,下降的幅度與原子氧吸附的方式有關(guān)�？瘴蝗毕輹�(huì)使h-BN帶隙下降,而單純的氧摻雜不能使h-BN帶隙發(fā)生明顯的變化,但當(dāng)摻雜的位點(diǎn)同時(shí)存在懸鍵時(shí),帶隙則會(huì)大幅下降。本研究發(fā)現(xiàn),存在缺陷的h-BN在富原子氧環(huán)境下存在著自修復(fù)效應(yīng)。研究顯示,h-BN對(duì)于各種氣體分子均有不透過性,而缺陷會(huì)大大降低它對(duì)氧分子的阻隔能力。而計(jì)算結(jié)果顯示,原子氧可以在h-BN缺陷位置發(fā)生化學(xué)吸附,從而減少缺陷對(duì)h-BN的影響。相比于缺陷被修復(fù)之前的情況,被修復(fù)之后h-BN對(duì)于氧分子的阻隔能力大為上升。并且,原子氧修復(fù)過后,原本h-BN缺陷位置處的電子密度也有所上升,電子云孔洞大幅縮小。所以,原子氧會(huì)對(duì)h-BN的缺陷位置進(jìn)行修補(bǔ),從而增強(qiáng)帶缺陷h-BN的阻隔能力。對(duì)h-BNC最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了研究,并且探明了碳含量和層數(shù)對(duì)其帶隙的影響。能量計(jì)算顯示,h-BNC中h-BN和石墨烯分布越集中,結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定;對(duì)帶隙的計(jì)算顯示,含碳量越高,單層h-BNC的帶隙就越低。可以通過調(diào)節(jié)碳含量,精確地在0-4.647 eV之間控制h-BNC的帶隙。同時(shí),h-BNC的層數(shù)上升,它的帶隙也會(huì)劇烈地下降。因此,可以通過對(duì)h-BNC含碳量的控制和層數(shù)的控制,協(xié)同調(diào)節(jié)h-BNC的帶隙。本研究對(duì)于石墨烯和h-BN在富原子氧環(huán)境下的電學(xué)性能進(jìn)行了第一性原理計(jì)算,對(duì)評(píng)估石墨烯和h-BN在富原子氧環(huán)境下電學(xué)性能表現(xiàn)有一定的指導(dǎo)意義。而對(duì)h-BNC帶隙的計(jì)算,為制備特定帶隙的h-BNC工藝設(shè)計(jì)提供了參考,對(duì)hBNC在帶隙工程方面的應(yīng)用也有一定的意義。
【圖文】：

圖 1-1 石墨烯的原子結(jié)構(gòu)示意圖零帶隙的半導(dǎo)體，在石墨烯能帶圖中的費(fèi)米能級(jí)處，，正好經(jīng)過費(fèi)米能級(jí)[20, 21]，而石墨烯中的載流子即為有[22, 23]。所以，石墨烯的性質(zhì)為特殊的半金屬性。作為電子遷移率非常高[24-27]。并且，石墨烯具有極大的場墨烯還有一些奇特的性能，比如 Klein 隧穿效應(yīng)[28]和應(yīng)[23, 29]，這些奇特的電學(xué)性能來自于石墨烯的特殊的電學(xué)性能使其在場效應(yīng)晶體管、單電子晶體管、場發(fā)泛的應(yīng)用前景。被制備出來之后，出現(xiàn)了很多關(guān)于石墨烯的第一性原烯的性質(zhì)和應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。比如，TopsakalM究了氧在石墨烯表面吸附的形式和吸附的能量，并且墨烯對(duì)氧的屏障能力[30]；Tsetseris L.等人計(jì)算了氫、墨烯所需要的最小能量，計(jì)算研究了石墨烯對(duì)這些原

研究生學(xué)位論文 六方氮化硼、石墨烯及二者區(qū)域混合結(jié)構(gòu)的化硼硼(h-BN)是一種與石墨烯很相似的二維材料，其層間堆積方式為 AB 堆積，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)與石墨烯的結(jié)構(gòu)白色石墨烯[36]。在 h-BN 中，交替的硼原子和氮原子三個(gè)異類原子成鍵。與石墨烯類似，h-BN 的最小結(jié)觀結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示。h-BN 與石墨烯具有相似的點(diǎn)8]。雖然結(jié)構(gòu)相近，但是石墨烯和 h-BN 因?yàn)榛瘜W(xué)鍵的大差異[11, 22, 39]。h-BN 是寬帶隙半導(dǎo)體[39]，所以電阻最初獲得二維 h-BN 的方法也為透明膠帶法[40]。之后二維 h-BN 的方法，比如機(jī)械剝離法[41]、超聲輔助溶法[43]、濕化學(xué)法[44]等。其中，若要獲得大尺寸高質(zhì)量是化學(xué)氣相沉積法。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O469

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本文編號(hào)：2594104