發(fā)布時間：2020-07-05 12:50

【摘要】：石墨烯因其奇異的物理性質,如強度高、低電阻率和極強的電子遷移率等引起國內外的廣泛關注,并被視為繼硅材料之后的新一代納米電子器件材料。然而,石墨烯的零帶隙結構特征限制了其在微納米電子器件中應用,調控石墨烯的帶隙成了研究的熱點。把石墨烯裁剪成準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,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象,采用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理計算,研究雙層石墨烯納米帶層間摻雜過渡金屬原子鏈(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu),外加垂直電場對雙層石墨烯納米帶的幾何結構、電學特性、磁學性質以及光學性質的影響,并得到以下主要結論:(1)對于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個碳原子)層間摻雜過渡金屬原子鏈(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu)結構。除銅原子鏈吸附結構外,其余所有過渡金屬原子鏈均能夠穩(wěn)定吸附于石墨烯納米帶層間。吸附結構的穩(wěn)定性隨納米帶寬度的增加而降低,并隨原子序數的增加而先降低后增加。此外,吸附體系的電子從TM原子轉移至臨近C原子,形成TM-C離子鍵,同時說明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。過渡金屬原子鏈的摻入使得無磁性的雙層石墨烯納米帶顯示出磁性,并且[GMnG]_w體系具有最強的磁矩,而[GVG]_w、[GNiG]_w和[GCuG]_w復合系統(tǒng)則無磁性,磁性Ni原子鏈與BAGNRs相互作用發(fā)生現磁性淬滅現象。納米帶寬度為奇數(5、7、9)和偶數(4、6、8)時,復合體系具有不同的磁性,說明TM原子鏈摻入AA型雙層石墨烯納米帶具有可調控的磁性質,為磁性存儲材料的研究提供了理論依據。(2)對于AB型雙層石墨烯納米帶(寬度為10個碳原子寬度)層間摻雜過渡金屬原子鏈(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)結構,通過改變吸附位置研究其吸附體系的結構特征和電磁特性的變化規(guī)律。所有吸附體系均穩(wěn)定結構,并且V的吸附體系最穩(wěn)定。對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,隨著吸附位置向中心移動,其穩(wěn)定性逐漸下降。電荷從TM原子鏈轉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,這與過渡金屬原子鏈摻雜AA型雙層石墨烯納米帶層間的性質一致。TM原子鏈吸附在雙層石墨烯納米帶的不同位置產生不同的電磁性質。吸附的復合體系中,[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,Ni的吸附體系仍然呈現零磁矩的磁性淬滅現象。此外,具有磁性的復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。由于邊緣效應的存在,過渡金屬原子鏈中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,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)對于本征AA型雙層石墨烯納米帶(BAGNRs)(寬度w為4到12個碳原子)的結構,研究外加不同強度(E=0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5V/?)垂直電場對其電子特性和光學特性的影響。BAGNRs具有半導體特性,未加電場時,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:對于一個確定的正整數p,其帶隙大小順序為(35)_(3p+1)(35)_(3p)(35)_(3p+2)(p≠0),w=4時,體系擁有最大帶隙,其值為2.186eV。通過外加垂直電場后,石墨烯納米帶的帶隙隨電場的增大而迅速減小,當電場達到0.5V/?后,所有體系的帶隙均閉合,表現出金屬特性。BAGNRs的光學特性具有各向異性,介電函數在垂直極化方向上表現為半導體性質,但在平行極化方向表現為金屬性。在電場的作用下,本征雙層石墨烯納米帶的介電函數、吸收系數、折射系數、反射系數、電子能量損失系數和光電導率的波峰均向長波方向移動,說明電場使其產生紅移現象。電場的存在增加了石墨烯納米帶的帶間躍遷幾率,研究表明電場能夠對本征雙層石墨烯納米帶的能帶和光學性質進行調控。
【學位授予單位】：西安科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O441.6;TB383.1;TQ127.11

【參考文獻】

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本文編號：2742626