【摘要】：石墨烯因其奇異的物理性質(zhì),如強(qiáng)度高、低電阻率和極強(qiáng)的電子遷移率等引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注,并被視為繼硅材料之后的新一代納米電子器件材料。然而,石墨烯的零帶隙結(jié)構(gòu)特征限制了其在微納米電子器件中應(yīng)用,調(diào)控石墨烯的帶隙成了研究的熱點(diǎn)。把石墨烯裁剪成準(zhǔn)一維的石墨烯納米帶,能夠使其具有非零帶隙,并且?guī)杜c納米帶寬度和邊緣形狀有關(guān),豐富了石墨烯的電磁特性。本文以雙層石墨烯納米帶為研究對(duì)象,采用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理計(jì)算,研究雙層石墨烯納米帶層間摻雜過(guò)渡金屬原子鏈(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu),外加垂直電場(chǎng)對(duì)雙層石墨烯納米帶的幾何結(jié)構(gòu)、電學(xué)特性、磁學(xué)性質(zhì)以及光學(xué)性質(zhì)的影響,并得到以下主要結(jié)論:(1)對(duì)于AA型堆垛的扶手椅型雙層石墨烯納米帶(BAGNRs)(納米帶寬度w為4到9個(gè)碳原子)層間摻雜過(guò)渡金屬原子鏈(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu)結(jié)構(gòu)。除銅原子鏈吸附結(jié)構(gòu)外,其余所有過(guò)渡金屬原子鏈均能夠穩(wěn)定吸附于石墨烯納米帶層間。吸附結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨納米帶寬度的增加而降低,并隨原子序數(shù)的增加而先降低后增加。此外,吸附體系的電子從TM原子轉(zhuǎn)移至臨近C原子,形成TM-C離子鍵,同時(shí)說(shuō)明TM原子為施主原子,而臨近C原子為受主原子。吸附體系中[GCoG]_5、[GMnG]_5、[GVG]_6、[GCuG]_8、[GNiG]_(6、7、8、9)具有半導(dǎo)體特性,[GFeG]_7、[GCoG]_(6、7、8、9)和[GMnG]_(6、7、8、9)具有100%自旋極化率的半金屬特性。過(guò)渡金屬原子鏈的摻入使得無(wú)磁性的雙層石墨烯納米帶顯示出磁性,并且[GMnG]_w體系具有最強(qiáng)的磁矩,而[GVG]_w、[GNiG]_w和[GCuG]_w復(fù)合系統(tǒng)則無(wú)磁性,磁性Ni原子鏈與BAGNRs相互作用發(fā)生現(xiàn)磁性淬滅現(xiàn)象。納米帶寬度為奇數(shù)(5、7、9)和偶數(shù)(4、6、8)時(shí),復(fù)合體系具有不同的磁性,說(shuō)明TM原子鏈摻入AA型雙層石墨烯納米帶具有可調(diào)控的磁性質(zhì),為磁性存儲(chǔ)材料的研究提供了理論依據(jù)。(2)對(duì)于AB型雙層石墨烯納米帶(寬度為10個(gè)碳原子寬度)層間摻雜過(guò)渡金屬原子鏈(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)結(jié)構(gòu),通過(guò)改變吸附位置研究其吸附體系的結(jié)構(gòu)特征和電磁特性的變化規(guī)律。所有吸附體系均穩(wěn)定結(jié)構(gòu),并且V的吸附體系最穩(wěn)定。對(duì)于相同原子鏈吸附體系,穩(wěn)定性隨吸附位置的不同而有所差異,最邊緣位置吸附的穩(wěn)定性最強(qiáng),隨著吸附位置向中心移動(dòng),其穩(wěn)定性逐漸下降。電荷從TM原子鏈轉(zhuǎn)移到近鄰石墨烯碳原子,形成有利于體系穩(wěn)定性增加的離子鍵,這與過(guò)渡金屬原子鏈摻雜AA型雙層石墨烯納米帶層間的性質(zhì)一致。TM原子鏈吸附在雙層石墨烯納米帶的不同位置產(chǎn)生不同的電磁性質(zhì)。吸附的復(fù)合體系中,[GCrG]_(10)-2、[GCrG]_(10)-4、[GMnG]_(10)-2、[GMnG]_(10)-3、[GFeG]_(10)-1和[GCoG]_(10)-2體系具有半金屬性質(zhì),Ni的吸附體系仍然呈現(xiàn)零磁矩的磁性淬滅現(xiàn)象。此外,具有磁性的復(fù)合體系在同一吸附位置的磁矩由大到小的順序依為Mn、Fe、Cr、Co。由于邊緣效應(yīng)的存在,過(guò)渡金屬原子鏈中A和B類原子的磁矩明顯差異,隨著吸附位置向納米帶中心移動(dòng),A和B類原子的磁矩差異逐漸減小,最終在中間吸附位置相等。(3)對(duì)于本征AA型雙層石墨烯納米帶(BAGNRs)(寬度w為4到12個(gè)碳原子)的結(jié)構(gòu),研究外加不同強(qiáng)度(E=0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5V/?)垂直電場(chǎng)對(duì)其電子特性和光學(xué)特性的影響。BAGNRs具有半導(dǎo)體特性,未加電場(chǎng)時(shí),雙層石墨烯納米帶帶隙隨寬度的增加而震蕩性減小,并且依然滿足單層石墨烯納米帶的規(guī)律:對(duì)于一個(gè)確定的正整數(shù)p,其帶隙大小順序?yàn)?35)_(3p+1)(35)_(3p)(35)_(3p+2)(p≠0),w=4時(shí),體系擁有最大帶隙,其值為2.186eV。通過(guò)外加垂直電場(chǎng)后,石墨烯納米帶的帶隙隨電場(chǎng)的增大而迅速減小,當(dāng)電場(chǎng)達(dá)到0.5V/?后,所有體系的帶隙均閉合,表現(xiàn)出金屬特性。BAGNRs的光學(xué)特性具有各向異性,介電函數(shù)在垂直極化方向上表現(xiàn)為半導(dǎo)體性質(zhì),但在平行極化方向表現(xiàn)為金屬性。在電場(chǎng)的作用下,本征雙層石墨烯納米帶的介電函數(shù)、吸收系數(shù)、折射系數(shù)、反射系數(shù)、電子能量損失系數(shù)和光電導(dǎo)率的波峰均向長(zhǎng)波方向移動(dòng),說(shuō)明電場(chǎng)使其產(chǎn)生紅移現(xiàn)象。電場(chǎng)的存在增加了石墨烯納米帶的帶間躍遷幾率,研究表明電場(chǎng)能夠?qū)Ρ菊麟p層石墨烯納米帶的能帶和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控。
【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O441.6;TB383.1;TQ127.11

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2742626