本文關(guān)鍵詞：低維碳材料電子自旋極化特性的理論研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《吉林大學(xué)》 2015年

低維碳材料電子自旋極化特性的理論研究

于國(guó)棟  

【摘要】：作為新型的碳納米材料，富勒烯、碳納米管和石墨烯由于具有很多奇特的電子性質(zhì)而廣受關(guān)注。此外，人們正致力于獲得具有新型結(jié)構(gòu)的碳材料，如理論上預(yù)言的石墨炔和碳泡沫等。在實(shí)驗(yàn)上，人們已經(jīng)在多種碳材料中觀察到了磁性，如rhombohedral C60、zigzag型邊界的石墨烯納米條帶（ZGNR）和吸附了有機(jī)分子的石墨烯等等。由于碳原子的自旋軌道耦合效應(yīng)很弱，碳材料中自旋退相干效應(yīng)比其他典型的半導(dǎo)體材料要小得多，因此，碳材料中的p軌道磁性在自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景。然而，為了滿足特定的自旋電子學(xué)器件功能，澄清和調(diào)控碳材料的磁性尤為必要。本文中我們主要利用基于密度泛函理論的計(jì)算方法研究3d過渡族金屬原子（TMA）摻雜的石墨烯結(jié)構(gòu)的磁性、石墨炔的邊緣磁性和碳泡沫的表面磁性。 首先，我們探討了摻雜TMA對(duì)石墨烯邊緣磁性的影響。當(dāng)在靠近ZGNR邊緣的晶格位置摻雜鈦、釩、鉻、錳、鎳、銅或鋅原子時(shí)，石墨烯的邊緣磁性會(huì)受到極大的抑制從而使ZGNR只具有單邊緣的磁性。通過理論分析，我們發(fā)現(xiàn)這種邊緣磁性的抑制主要有兩個(gè)原因:第一，TMA的原子軌道與石墨烯的邊緣態(tài)發(fā)生強(qiáng)烈的雜化使局域在zigzag邊緣的上下自旋邊緣態(tài)同時(shí)被占據(jù)，結(jié)果削弱了邊緣磁性；第二，TMA的摻雜會(huì)使ZGNR邊界發(fā)生較大的晶格畸變而破壞邊緣態(tài)，從而導(dǎo)致邊緣磁性的明顯抑制。對(duì)于鈦和錳原子的摻雜，邊緣磁性的抑制主要來源于第一種機(jī)制，第二種機(jī)制可以很好地解釋銅原子摻雜的情況，而對(duì)于大多數(shù)情況，兩種機(jī)制共同起作用。值得注意的是，鈧原子摻雜到ZGNR和二維無限大的石墨烯會(huì)表現(xiàn)出完全不同的電子性質(zhì)。鈧原子摻雜到二維無限大的石墨烯后體系是不存在磁性的，然而摻雜到ZGNR后體系會(huì)表現(xiàn)出明顯的自旋極化。 其次，我們探討了帶有558型線缺陷的石墨烯吸附TMA后體系的磁性質(zhì)。相比于普通石墨烯晶格位置，線缺陷處會(huì)提供更大的吸附能從而更容易捕獲TMA。此外，吸附TMA到不同的位置后體系會(huì)表現(xiàn)出不同的磁矩。當(dāng)TMA吸附于組成線缺陷的八邊碳環(huán)的中心位置時(shí)（TMA@H8），我們建立了簡(jiǎn)單的雜化圖像用以解釋TMA@H8系統(tǒng)的磁性以及吸附能隨摻雜原子種類的變化。電子輸運(yùn)計(jì)算表明，鐵或鈷原子吸附到線缺陷位置的體系會(huì)表現(xiàn)出明顯的電流的自旋極化效應(yīng)。值得強(qiáng)調(diào)的是，無論鐵原子吸附在什么位置，只要偏壓在0.2-0.4V之間，電流的自旋極化率始終高于76%，這表明在實(shí)驗(yàn)上，在石墨烯線缺陷吸附有鐵原子的體系中容易觀察到自旋極化的電子輸運(yùn)現(xiàn)象。 再次，對(duì)于α、β、γ和(6,6,12)四種類型的石墨炔，我們研究了其相應(yīng)的zigzag型納米條帶的邊緣磁性。和ZGNR一樣，在費(fèi)米面處這四種條帶都存在無色散的平帶�？紤]到上下自旋電子間相互作用后，局域在邊界的邊緣態(tài)將發(fā)生自旋極化進(jìn)而表現(xiàn)出邊緣磁性。值得注意的是，β型的石墨炔條帶只有在足夠?qū)挄r(shí)才會(huì)表現(xiàn)出明顯的無色散平帶和邊緣磁性。此外，我們還建立了基于碳原子pz軌道的緊束縛近似（TB）模型用來描述這四種石墨炔納米條帶的能帶結(jié)構(gòu)�；赥B模型，我們發(fā)現(xiàn)β型石墨炔納米條帶會(huì)產(chǎn)生比ZGNR和其他類型的石墨炔納米條帶更多的輸運(yùn)通道，因而它將成為一種理想的金屬線。 最后，我們研究了(1,1)zigzag碳泡沫的表面磁性。碳泡沫是一種由sp2和sp3雜化的碳原子共同組成的三維碳材料，，因其結(jié)構(gòu)中存在大量的孔洞而得名。在結(jié)構(gòu)上，碳泡沫是共用管壁的碳納米管陣列，其孔洞的尺寸即為碳納米管的橫向尺寸。(1,1)zigzag碳泡沫是由(6,0)zigzag型碳納米管組成的共用管壁的陣列。沿著碳納米管的橫向切割(1,1)zigzag碳泡沫可以得到兩種基本類型的表面:sp2和sp3表面，即由sp2或sp3雜化的碳原子截?cái)嗟谋砻�。用氫原子飽和掉表面的懸掛鍵會(huì)顯著地增加體系的穩(wěn)定性。此外，sp3表面和氫原子飽和的sp2表面（記為sp2H表面）分別表現(xiàn)出反鐵磁性基態(tài)和鐵磁性基態(tài)，相應(yīng)的尼爾溫度和居里溫度均高于100K。對(duì)于sp2H表面，應(yīng)變可以有效地調(diào)節(jié)表面碳原子的自旋極化強(qiáng)度。而且，在體帶隙中存在著局域在sp2H表面的表面態(tài)。更重要的是，這個(gè)表面態(tài)對(duì)應(yīng)的能帶在K和K′點(diǎn)表現(xiàn)為自旋極化的Dirac圓錐型的能帶結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O469
【目錄】：

下載全文 更多同類文獻(xiàn)

CAJ全文下載

(如何獲取全文？ 歡迎：購買知網(wǎng)充值卡、在線充值、在線咨詢)

CAJViewer閱讀器支持CAJ、PDF文件格式

【共引文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 ;The UV-VIS Studies of C_(60) Chemically Modified Polystyrene Film[J];Chinese Chemical Letters;1997年05期

2 柳慶春,陳滇寶,史制強(qiáng),華靜,劉青;C_(60)(Fullerene)及其鹵化衍生物在陰離子聚合中的研究[J];高分子通報(bào);2002年06期

3 陳彧,徐曉鴻,王靜霞,肖麗香,蔡瑞芳,黃祖恩;富勒烯功能高分子材料的制備與性能研究[J];功能高分子學(xué)報(bào);1999年04期

4 任元;劉學(xué)杰;李智;;Nb–Si–N納米復(fù)合薄膜中界面的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2013年09期

5 王英杰;劉梅怡;高加力;;生物大分子全量子力學(xué)方法:顯性極化(X-Pol)模型[J];分子科學(xué)學(xué)報(bào);2013年06期

6 羅京;盧金龍;趙宏鵬;代月花;劉琦;楊金;蔣先偉;許會(huì)芳;;A first-principle investigation of the oxygen defects in Si_3N_4-based charge trapping memories[J];Journal of Semiconductors;2014年01期

7 孫婷婷;王永欣;陳錚;杜秀娟;;鋸齒型AlN納米帶中摻雜Co鏈的第一性原理研究[J];材料導(dǎo)報(bào);2013年22期

8 楊東杰;伍曉蕾;昌婭琪;邱學(xué)青;陶家媛;;磺甲基化木質(zhì)素的辣根過氧化物酶催化聚合研究[J];高分子學(xué)報(bào);2014年04期

9 解憂;霍義萍;張濤;趙省貴;張建民;;鈷納米線填充(12,0)硼氮納米管的電子結(jié)構(gòu)與磁性[J];復(fù)合材料學(xué)報(bào);2014年01期

10 卞萍;孔春陽;李萬俊;秦國(guó)平;張萍;徐慶;;C摻雜濃度對(duì)ZnO薄膜電學(xué)和結(jié)構(gòu)的影響[J];功能材料;2014年07期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 周合江;征甲甲;張波;虞梅芳;高興發(fā);陳春英;衛(wèi)濤濤;;The Inhibition of Migration and Invasion of Breast Cancer Cells by Pristine Graphene via the Impairment of Mitochondrial Respiration[A];第十一屆全國(guó)博士生學(xué)術(shù)年會(huì)（生物醫(yī)藥專題）論文集（下冊(cè)，墻報(bào)P25-P48）[C];2013年

2 Cheng-Xing Cui;Ya-Jun Liu;;A thorough understanding of reactivity of the bonds In C_(60) and C_(70) based on the M06-2X computation[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第十二屆全國(guó)量子化學(xué)會(huì)議論文摘要集[C];2014年

3 Ren Feng;Jia jia Song;Ji-Jun Zou;Xiangwen Zhang;Li Wang;;Theoretical Study on Cyclopropanation of endo-Dicyclopentadiene with Zinc Carbenoids[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第十二屆全國(guó)量子化學(xué)會(huì)議論文摘要集[C];2014年

4 Pengxiang Zhang;Yongli Kou;Yue Dong;Yaping Li;;The Analysis of Bader Charge of Co on the Co_3O_4(100) Surface[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第十二屆全國(guó)量子化學(xué)會(huì)議論文摘要集[C];2014年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王建;過渡金屬銥、釕、錸配合物激發(fā)態(tài)性質(zhì)及其相關(guān)應(yīng)用的理論研究[D];吉林大學(xué);2011年

2 慈成剛;疊氮化氰和幾種羰基化合物光解離機(jī)理的理論研究[D];吉林大學(xué);2011年

3 閔春剛;生物多色熒光的起源及機(jī)理研究[D];吉林大學(xué);2011年

4 孫文明;碳納米材料與生物小分子間相互作用及保護(hù)機(jī)理的理論研究[D];山東大學(xué);2011年

5 趙強(qiáng);若干鹵鍵相互作用的理論研究[D];山東大學(xué);2011年

6 魏帆;鈾化合物激發(fā)態(tài)和熱力學(xué)性質(zhì)的相對(duì)論量子化學(xué)研究[D];清華大學(xué);2010年

7 李昕;光電功能銥配合物的密度泛函理論研究[D];華東理工大學(xué);2011年

8 耿允;基于噻吩類和萘類材料的電荷傳輸性能的理論研究[D];東北師范大學(xué);2011年

9 李鴻志;提高密度泛函理論計(jì)算Y-NO體系均裂能精度：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)方法[D];東北師范大學(xué);2011年

10 盧楠;雙功能有機(jī)小分子催化不對(duì)稱合成反應(yīng)的理論研究[D];山東師范大學(xué);2012年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 牛麗娟;基于碳納米管的非線性高分子功能材料的設(shè)計(jì)和制備[D];華東理工大學(xué);2011年

2 侯聰;丙酸乙脂與羥基自由基的反應(yīng)機(jī)理的理論研究[D];吉林大學(xué);2011年

3 周靜;羥基引發(fā)的多溴代聯(lián)苯醚大氣光降解機(jī)理和動(dòng)力學(xué)的量子化學(xué)研究[D];大連理工大學(xué);2011年

4 閆文艷;星型分子結(jié)構(gòu)與電荷轉(zhuǎn)移特征的密度泛函理論研究[D];東北師范大學(xué);2011年

5 于朝陽;具有紫外光學(xué)性能的富勒烯功能材料[D];武漢大學(xué);2004年

6 韓冰;分子篩孔道限域效應(yīng)的量子化學(xué)計(jì)算研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(武漢物理與數(shù)學(xué)研究所);2012年

7 徐亮;銠鎳催化的C-H活化反應(yīng)機(jī)理的理論研究[D];溫州大學(xué);2012年

8 陶委;四吡咯衍生物光敏染料光譜性質(zhì)的密度泛函理論研究[D];東北師范大學(xué);2012年

9 張一超;面向DNA/RNA化學(xué)修飾的結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)研究[D];上海交通大學(xué);2013年

10 傅志強(qiáng);P450酶活性中心催化轉(zhuǎn)化全氟辛烷磺酸（PFOS）前體化合物的機(jī)理研究[D];大連理工大學(xué);2013年

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 于桂亮;黃書騰;;淺析石墨烯的性質(zhì)與應(yīng)用前景[J];科技風(fēng);2011年21期

2 ;英研制出石墨烯透水材料[J];人工晶體學(xué)報(bào);2012年01期

3 梁爽;趙孝文;王剛毅;陳薇;楊仲秋;李志剛;張麗芳;高德玉;趙弘韜;;石墨烯的制備及應(yīng)用進(jìn)展[J];黑龍江科學(xué);2013年03期

4 司晨;陳鵬程;段文暉;;石墨烯材料的電子功能化設(shè)計(jì):第一原理研究進(jìn)展[J];科學(xué)通報(bào);2013年35期

5 韓鵬昱;;石墨烯晶體的微觀起伏[J];物理;2009年06期

6 韓鵬昱;劉偉;謝亞紅;張希成;;石墨烯與太赫茲科學(xué)[J];物理;2009年06期

7 ;石墨烯納米電路技術(shù)獲得新進(jìn)展[J];人工晶體學(xué)報(bào);2010年S1期

8 ;用石墨烯制出特氟龍?zhí)娲颷J];中國(guó)西部科技;2010年31期

9 崔同湘;呂瑞濤;康飛宇;顧家琳;;從石墨烯的制備及其應(yīng)用研究進(jìn)展看2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[J];科技導(dǎo)報(bào);2010年24期

10 范桂鋒;朱宏偉;;石墨烯:打開二維材料之門——評(píng)2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[J];現(xiàn)代物理知識(shí);2010年06期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 趙福剛;李維實(shí);;樹枝狀結(jié)構(gòu)功能化石墨烯[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第04分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

2 帥志剛;龍孟秋;唐令;王冬;;納米帶狀石墨烯與石墨炔的電子結(jié)構(gòu)與電荷輸運(yùn)[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第14分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

3 王琳;趙立峰;孫淮;;分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算攙硅石墨烯的熱傳導(dǎo)系數(shù)[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第14分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

4 劉吉洋;郭少軍;翟月明;李丹;汪爾康;;肉豆蔻酰磷脂酰甘油保護(hù)石墨烯的制備[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第09分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

5 劉云圻;魏大程;狄重安;武斌;郭云龍;于貴;;少數(shù)層石墨烯的可控制備和電性能研究[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第04分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

6 張佳利;沈廣霞;郭守武;;化學(xué)還原的單層氧化石墨烯的電學(xué)性質(zhì)研究[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第04分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

7 付磊;劉楠;戴博雅;劉迅;張朝華;劉忠范;;石墨烯的表面控制生長(zhǎng)[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)中日青年化學(xué)家論壇摘要集[C];2010年

8 張智軍;張立明;黃潔;夏景光;;基于氧化石墨烯的新型功能納米載體的制備及其應(yīng)用研究[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第04分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

9 劉洪濤;鄭健;劉云圻;于貴;朱道本;;氨水和氨水蒸汽還原法制備石墨烯[A];全國(guó)第八屆有機(jī)固體電子過程暨華人有機(jī)光電功能材料學(xué)術(shù)討論會(huì)摘要集[C];2010年

10 陳永勝;黃毅;馬延風(fēng);王燕;許艷菲;張小巖;梁嘉杰;呂歆;;可溶性石墨烯材料的宏量制備及其器件應(yīng)用[A];全國(guó)第八屆有機(jī)固體電子過程暨華人有機(jī)光電功能材料學(xué)術(shù)討論會(huì)摘要集[C];2010年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉霞;[N];科技日?qǐng)?bào);2010年

2 記者 王艷紅;[N];新華每日電訊;2010年

3 本報(bào)記者 李好宇 張芃捷(實(shí)習(xí)) 特約記者 李季;[N];電腦報(bào);2010年

4 證券時(shí)報(bào)記者 向南;[N];證券時(shí)報(bào);2010年

5 本報(bào)特約撰稿 吳康迪;[N];計(jì)算機(jī)世界;2010年

6 記者 謝榮　通訊員 夏永祥 陳海泉 張光杰;[N];泰州日?qǐng)?bào);2010年

7 本報(bào)記者 紀(jì)愛玲;[N];中國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào);2011年

8 周科競(jìng);[N];北京商報(bào);2011年

9 王小龍;[N];科技日?qǐng)?bào);2011年

10 本報(bào)記者 劉霞;[N];科技日?qǐng)?bào);2011年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王金華;類石墨烯納米片和模型體系的理論研究[D];吉林大學(xué);2010年

2 廖清;石墨烯及其相關(guān)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)和性質(zhì)研究[D];浙江大學(xué);2011年

3 謝月娥;石墨烯納米結(jié)構(gòu)電子輸運(yùn)的調(diào)制[D];湘潭大學(xué);2011年

4 袁建輝;石墨烯中的電子及其輸運(yùn)性質(zhì)的研究[D];華中科技大學(xué);2012年

5 徐華;石墨烯界面電荷轉(zhuǎn)移的拉曼光譜研究[D];蘭州大學(xué);2012年

6 徐宇曦;功能化石墨烯的制備、組裝及其應(yīng)用[D];清華大學(xué);2011年

7 康朝陽;碳化硅、藍(lán)寶石與銅箔表面石墨烯的生長(zhǎng)和表征研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

8 李占成;高質(zhì)量石墨烯的可控制備[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

9 呂偉;石墨烯的宏量制備、可控組裝及電化學(xué)性能研究[D];天津大學(xué);2012年

10 江林海;石墨烯負(fù)載納米復(fù)合材料的制備及其性質(zhì)研究[D];吉林大學(xué);2013年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 同鑫;石墨烯的制備及其復(fù)合電極材料儲(chǔ)鋰性能研究[D];西北大學(xué);2011年

2 呂翔;石墨烯的制備及高分子改性[D];武漢理工大學(xué);2011年

3 杜欣;可流動(dòng)石墨烯的制備及其特性研究[D];武漢理工大學(xué);2011年

4 謝聲意;還原石墨烯氧化物的第一性原理研究[D];吉林大學(xué);2011年

5 鄒燕;功能化石墨烯氣敏特性的理論研究[D];曲阜師范大學(xué);2011年

6 郭曉曉;單層石墨烯超晶格中的輸運(yùn)特性和散粒噪聲[D];河北師范大學(xué);2011年

7 韓超群;石墨烯在不平整表面上吸附的分子動(dòng)力學(xué)研究[D];華東師范大學(xué);2011年

8 周靜;氧化石墨烯和石墨烯的制備、表征與應(yīng)用[D];南京大學(xué);2011年

9 王寬;石墨烯的室溫簡(jiǎn)易制備及其電容性能研究[D];陜西師范大學(xué);2011年

10 廖旭;石墨烯摩擦性質(zhì)研究[D];電子科技大學(xué);2011年

  本文關(guān)鍵詞：低維碳材料電子自旋極化特性的理論研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：219072