石墨烯掺杂吸附的第一性原理研究

发布时间：2020-06-01 05:03

【摘要】：自2004年,石墨烯被实验上制备以来,石墨烯就以其丰富而新奇的电学和磁学性质得到了科学界的广泛关注。石墨烯具有高电子迁移率和非常低的电阻率,其被预言可以取代硅作为下一代制备纳米电子器件的材料。在过去的十余年中,石墨烯已经成为国内外备受瞩目的前沿和热点,在微电子、材料、信息、能源、环境和生物医药等方面取得了卓越的发展及成果。为了获得各种石墨烯基的电子器件,必须调制石墨烯的电磁输运性质。掺杂和吸附是调控石墨烯结构与性质的有效手段。将二维石墨烯结构裁剪为准一维的石墨烯纳米带,可以大大拓展石墨烯在纳米电子器件中的应用范围。同时,相对于单层石墨烯,双层石墨烯具有独一无二的电子特性,但是对于双层石墨烯的研究却相对较少。因此,在这篇文章中,利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,首先研究了 zigzag型和linear型过渡金属Ti原子链在石墨烯纳米带表面的吸附特性,讨论Ti原子链对不同宽度石墨烯纳米带电子性质的调控规律;其次研究了气体分子CO_2、CH_4、H_2O在Cr原子掺杂的双层石墨烯表面的吸附特性,重点讨论了掺杂吸附系统的几何结构、电子结构和磁学性质。全文的结论如下:(1)zigzag型和linear型Ti原子链都可以稳定吸附在不同宽度的石墨烯纳米带上。对于同一宽度的石墨烯纳米带,Ti原子链吸附在纳米带的边缘(10ZG-1、11ZG-1、12ZG-1和13ZG-1以及10LG-1、11LG-1、12LG-1和13LG-1)位置时最为稳定,且稳定程度随着纳米带宽度的增加而增加。Ti原子链吸附在不同宽度石墨烯纳米带的不同位置,呈现不同的电子结构特性。1OZG-1、10ZG-2、11ZG-2和13LG-2的吸附体系表现出半金属特性,其余吸附体系都为金属性质。石墨烯纳米带吸附zigzag型和linear型Ti原子链的体系都具有磁性,其磁性主要来源于Ti原子。当zigzag型Ti原子链吸附在纳米带边缘时,两类Ti原子中,TiA原子的磁矩总是小于TiB原子的磁矩;随着Ti原子链吸附位置趋向纳米带宽度的中心位置,两类Ti原子的磁矩趋于相等。研究结果表明,zigzag型和linear型Ti原子链的吸附能有效调控石墨烯纳米带的电子与磁性质。(2)对于Cr原子替代掺杂的双层石墨烯,气体分子CO_2、CH_4和H_2O均可以稳定吸附在其表面,而且所有的吸附过程都是物理吸附。CO_2以O_1方式为最优吸附,CH_4以C_1方式为最优吸附,H_2O以H_3方式为最优吸附。同时,CO_2和H_2O吸附在Cr掺杂的双层石墨烯表面的能力要强于CH_4。CO_2、CH_4和H_2O分子以不同的方式吸附在Cr掺杂双层石墨烯上,呈现出不同的电子结构特性。气体分子以O_1,C_1,H_1,H_2和H_3的吸附方式使得吸附体系呈现很强的金属性,这种金属性主要来源于Cr原子与双层石墨烯表面附近C原子之间的相互作用。同时,CO_2、CH_4和H_2O在Cr掺杂双层石墨烯上的吸附体系都具有磁性,这种磁性主要来源于过渡金属Cr原子。研究结果能够为石墨烯基的传感器等纳米电子器件提供重要的理论依据和实验指导。
【图文】：

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由一层层排列有序的碳原子平面堆叠而成的，它的层间有较弱的相互作成很薄的石墨片。把这些薄片再进行分离成只有一个碳原子厚度的平。从 20 世纪初开始，科学家就已经开始对石墨烯进行了研究。Boehm首次提出了石墨烯的概念，他们指出理想的石墨烯是一种二维无限大的只有一个碳原子厚度。不久之后，Landau 等人就提出石墨烯这种二维上不可能单独存在[3]。同时，由于之前实验上一直没有制备出稳定的所以人们一度认为石墨烯无法存在于现实生活中。直到 2004 年，石墨ovoselov 在实验上成功地制备出来[4]，从而填补了这个空白，说明了石于现实中。这样，碳家族的所有成员就被集齐了，即三维（金刚石和烯）、一维（碳纳米管）和零维（富勒烯）构型，它们共同组成了碳家烯的结构石墨烯是一种单原子层厚度的平面六角形点阵结构，如图 1.1 所示，nm，是目前实验室能够制备出的最薄的材料。石墨烯结构中每个六元环

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西安科技大学硕士学位论文匀的sp2杂化形成，，每个碳原子与它周围最近邻的三个碳原子都以 σ-碳键之间的夹角为 120 度，碳碳键长为 1.420 ，键能很强，石墨烯结构。当石墨烯受到外力的挤压或者冲击时，由于其内部碳原子之间性，虽然石墨烯碳原子平面会发生变形，但是其内部的碳原子不会重可以看出[5]，石墨烯是碳家族体系中其它维度的同素异形体的基本构曲为零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管，也可以堆叠成三维的石墨
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.71;O647.3

【参考文献】