本文關(guān)鍵詞：石墨烯及相關(guān)結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)的調(diào)控之第一性原理計算設(shè)計

  更多相關(guān)文章： 石墨烯 磁性 狄拉克錐 有效質(zhì)量 磁耦合 光吸收 HSE方法 DFT 庫倫在位排斥

【摘要】：作為元素周期表中一種最為多才多藝的元素,碳元素可以形成上千種的同素異形體以及化合物。零維富勒烯,一維碳納米管,以及二維的石墨烯已經(jīng)在納米尺度上為我們展示了非常迷人的電子特性。其中,石墨烯(單層石墨)被視為最為可能的未來的電子器件。由于它的兩套等價的格子,石墨烯本征上是一種半金屬材料,其狄拉克點在費米能及的位置。其中它的一個非常引人注目的電子結(jié)構(gòu)特性在于它的價帶頂和導(dǎo)帶底附近的線性的色散關(guān)系,即所謂的狄拉克錐。這表明石墨烯具有極高的載流子速度。為了擴展石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用,將半金屬的石墨烯通過其他手段轉(zhuǎn)變成具有帶隙的半導(dǎo)體尤為重要。 石墨烯的電子結(jié)構(gòu)可以通過很多方法進行調(diào)控。一般來說,可以分為以下幾大類：第一,通過改變石墨烯中碳原子的典型的sp2雜化形式,比如空位,晶界,化學(xué)吸附,以及應(yīng)力應(yīng)變等；第二,通過與石墨烯中π電子的弱的相互作用,這可以利用外加電場以及物理吸附來實現(xiàn)。前者通常會引入局域態(tài)。因此,可能會產(chǎn)生鐵磁態(tài)。另一方面,在石墨烯中引入sp3雜化可能會引入帶隙。在本文中,幾個關(guān)于石墨烯線缺陷的工作意在理解產(chǎn)生這些變化的機制。對于第二大類調(diào)制作用,本文主要研究了基底的范德瓦爾斯作用對石墨烯π電子的弱的調(diào)控作用。作為由石墨烯堆疊成的層狀結(jié)構(gòu),石墨,由于垂直方向的電子耦合作用,調(diào)控它的電子結(jié)構(gòu)的變化變得更加困難。而光吸收譜的變化可以反應(yīng)出電子結(jié)構(gòu)的變化,又可以有效的通過實驗得到檢測。 基于電子密度泛函理論,我們開展了大量的計算來研究前面提到的電子電子之間的相互作用。具體地講,本論文的結(jié)構(gòu)體系可以分為以下幾部分： 在第一章,首先介紹了碳原子的典型的雜化形式,以及它們在固態(tài)物質(zhì)中的物理化學(xué)性質(zhì)。其中,重點講述了石墨烯以及石墨烯相關(guān)的材料。綜述了由于不同的雜化形式而產(chǎn)生的不同的電子電子相互作用。 在第二章,我們主要綜述了一些基本的密度泛函理論以及它們的優(yōu)缺點,其核心在于所有的密度泛函理論都只是對Kohn-Sham方程的不同近似。在這一章里還討論了幾種現(xiàn)在通用的計算軟件中存在的近似,在這些軟件中存在的一些修正方法也做了總結(jié)。 在第三章中,我們開始將注意力集中在石墨烯中線缺陷的電子結(jié)構(gòu)特性。主要研究了兩種已經(jīng)在實驗上實現(xiàn)的線缺陷。其中一種線缺陷形成于石墨條帶的鋸齒邊緣被碳原子連接,結(jié)構(gòu)上由碳原子的五元環(huán)和八元環(huán)組成,稱作558線缺陷；另一種線缺陷由扶手椅邊緣的石墨條帶直接相連組成,稱作48線缺陷。主要利用密度泛函理論研究了它們的電子結(jié)構(gòu)特性以及磁性。我們還研究了它們與氫原子吸附位的直接以及遠(yuǎn)程相互作用。對558線缺陷來說,氫原子吸附在石墨烯格點上可以使線缺陷上產(chǎn)生自旋極化,即使吸附位距離線缺陷幾納米遠(yuǎn),這種缺陷上的磁性也仍然存在。相反,對于48線缺陷,沒有自旋極化發(fā)生。有意思的是,當(dāng)缺陷處的碳元素完全被氫原子吸附時,這兩中缺陷的體系都呈現(xiàn)出相應(yīng)的條帶的特性。 在第四章,我們研究了石墨烯與基底的弱相互作用對石墨烯π電子的調(diào)制作用。通過引入四種不同的類石墨烯結(jié)構(gòu)的C3N4基底,石墨烯中狄拉克點的帶隙被打開了。這四種單層的C3N4基底具有不同的C3N4單元以及由不同的對稱性結(jié)構(gòu)。一共有三種不同的對稱性結(jié)構(gòu)：三角對稱,平行四邊形對稱,以及正方形對稱。研究發(fā)現(xiàn),C3N4單元的大小以及基底的不同對稱性都會影響石墨烯中的帶隙。當(dāng)基底的對稱性有三角對稱變?yōu)槠叫兴倪呅螌ΨQ時,帶隙變大了,并且價帶頂和導(dǎo)帶底的電子有效質(zhì)量顯著增加了。當(dāng)基底的對稱性為正方形時,石墨烯產(chǎn)生了最大的帶隙,但是在帶隙中間存在局域態(tài)。當(dāng)基底都為三角對稱時,具有較小C3N4單元的基底能使石墨烯產(chǎn)生較大的帶隙(79meV)。帶隙的產(chǎn)生和變化可以解釋為石墨烯π電子密度六角對稱結(jié)構(gòu)的缺失,同時,當(dāng)基底為非三角對稱時,層間的軌道耦合作用也起了不可忽略的作用。最后,我們提出了一種以石墨烯為中間層的三明治結(jié)構(gòu),它可以雙倍的提高石墨烯中的帶隙,同時石墨烯的高載流子遷移速度也被保持了下來。 在第五章,我們主要研究了單軸高壓下石墨的光吸收譜的變化。我們提出了一種在實驗上可以檢測到的紅移現(xiàn)象,它對應(yīng)于石墨中層間的相對滑移。自然狀態(tài)的石墨很難觀察到光吸收譜的變化。我們通過第一性原理計算預(yù)測,在石墨層的垂直方向加單軸壓力可以使層間產(chǎn)生滑移,而這種滑移伴隨著明顯的光吸收譜的紅移：從這紫外一直到遠(yuǎn)紅外區(qū)間。并且從可見光區(qū)到遠(yuǎn)紅外區(qū),吸收強度大大地加強了。這種紅移現(xiàn)象對層間的滑移非常敏感。具體地講,當(dāng)層間以扶手椅方向作相對滑移時,吸收峰將會產(chǎn)生從～3.0eV到～0.15eV的紅移,與此同時,吸收峰的強度增加了一個量級。這些歸因于滑移產(chǎn)生的電子去局域化作用。當(dāng)滑移至AB堆疊的中間位置時,吸收峰極大地加強了。這是由于滑移使得層內(nèi)層間的對稱性降低,增加了躍遷幾率。研究發(fā)現(xiàn),這個吸收峰是電子由anti-β-n-n軌道到anti-α-n-n軌道的躍遷產(chǎn)生的。我們的結(jié)果提供了一種可以在實驗上可以檢測的高壓下石墨層間滑移的手段。 在本文的最后一章,總結(jié)了本文的主要內(nèi)容,總結(jié)對比了對石墨烯中π電子的不同調(diào)控方式和應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 磁性 狄拉克錐 有效質(zhì)量 磁耦合 光吸收 HSE方法 DFT 庫倫在位排斥
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O469
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-12
• Table of Contents12-15
• List of Figures and Tables15-22
• Chapter 1 Introduction22-32
• 1.1 Hybridization22
• 1.2 Hybridization in graphite and diamond22-23
• 1.3 Ideal sp~2 hybridization in graphene23-24
• 1.4 The modification of ideal sp~2 hybridization24-26
• 1.4.1 Chemical adsorption24
• 1.4.2 Vacancies and disorders24-25
• 1.4.3 Mechanical effect25-26
• 1.5 Substrates effect26-27
• References27-32
• Chapter 2 Density Functional Methods32-50
• 2.1 Many-body approximation in DFT35-41
• 2.1.1 LDA functional36-37
• 2.1.2 GGA functional37-38
• 2.1.3 More accurate ones38-41
• 2.2 Basis set41-46
• 2.2.1 Localized basis set41-42
• 2.2.2 Delocalized basis set42-43
• 2.2.3 Pseudopotential approximation43-46
• 2.3 Other approximations46-48
• 2.3.1 Periodic super cell approximation46-47
• 2.3.2 Finess in reciprocal and real space47-48
• References48-50
• Chapter 3 Magnetism in graphene induced by grain boundaries50-83
• 3.1 Introduction50-52
• 3.2 Magnetism instability induced by Coulomb on-site interaction at 5-5-8 ELD52-66
• 3.2.1 Inter-ELDs distance induced magnetism instability52-66
• 3.3 Interactions between 5-5-8 ELD and H adsorptions66-78
• 3.3.1 Models66-67
• 3.3.2 Computational details67-68
• 3.3.3 Strain enhanced AFM stability68-73
• 3.3.4 Magnetism enhancement induced by 5-5-8 ELD73-78
• References78-83
• Chapter 4 Symmetry-dependent band gap opening in graphene inducedby g-C_3N_4 substrates83-99
• 4.1 Introduction83-86
• 4.2 Calculation details86
• 4.3 Results and discussions86-96
• 4.3.1 Electronic structures of four types of g-C_3N_488-89
• 4.3.2 Different effects on the gap at Dirac point89-96
• References96-99
• Chapter 5 Strong interlayer π-π interaction99-117
• 5.1 Introduction99-100
• 5.2 Calculation details100-101
• 5.3 Results and discussion101-113
• 5.3.1 Barrier energy analysis of in-plane slip102-106
• 5.3.2 Band structure analysis of graphite with/without in-plane slip106-109
• 5.3.3 Absorption behavior with in-plane slip109-112
• 5.3.5 Discussion112-113
• 5.4 Conclusion113-114
• References114-117
• Chapter 6 Summary117-119
• Publications119
• Conferences119-121
• 論文內(nèi)容概要121-131
• 第三章 石墨烯中線缺陷的磁性121-125
• 3.1 線缺陷之間的相互作用導(dǎo)致的鐵磁性以及N-型摻雜121-123
• 3.2 氫原子化學(xué)吸附兩種不同的線缺陷的石墨烯123-125
• 第四章 基底對稱性對石墨烯中帶隙的影響125-128
• 第五章 石墨中層間強的π-π相互作用引起的吸收峰的顯著紅移128-131

【共引文獻】

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本文編號：943818