应变下氮和硼替位掺杂石墨烯的结构和电子性质

发布时间：2017-09-17 21:02

  本文关键词：应变下氮和硼替位掺杂石墨烯的结构和电子性质

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【摘要】：石墨烯由于具有独特的二维结构特征,因而表现出奇异的力学性能、电学性能及热力学性能,有望在纳米电子器件方面、传感器方面、复合材料方面和储能方面得到广泛的应用。尤其是由于它绝佳的电子性能,决定了石墨烯有可能替代半导体块体硅材料成为新一代纳米电子器件的基础材料。但是由于石墨烯是一种半金属材料,带隙宽度为零,直接应用于纳米尺度电子器件或电子电路中的范围非常有限,所以如何有效地控制其电子结构是应用中最重要的一环。研究发现,通过对石墨烯进行氮(硼)的替位掺杂可以获得n(p)-石墨烯半导体,并可以通过改变其掺杂浓度来调节其性质。而在实际的应用中,由于与衬底或其他环境的作用,会使得石墨烯的结构发生形变,并且这种形变会影响石墨烯的物理、化学性质,因此对N(B)掺杂对石墨烯在应变之下的结构和电子性质的研究非常重要。本文中,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算(从头计算)方法,研究了氮和硼掺杂石墨烯在不同应变之下的结构和电子性质,研究的结果主要分为以下几部分:1、对无掺杂纯净石墨烯、N替位掺杂石墨烯和B替位掺杂石墨烯体系进行了结构弛豫计算,得到了平衡状态下各个体系的的晶格常数:本征石墨烯体系的晶格常数为1.4683nm;N掺杂石墨烯的晶格常数为1.4663nm;B掺杂石墨烯体系的晶格常数为1.4713nm。与本征石墨烯相比,N掺杂石墨烯的晶格常数减小,B掺杂石墨烯的晶格常数增大。2、研究了各体系的总能量随应变的变化趋势,发现对于纯净石墨烯,在应变30%时体系的总能发生突变,体系在应变大于30%的情况下不再处于弹性应变范围,即纯石墨烯的临界应变为30%;而对于氮硼掺杂石墨烯,得到的临近应变分别为17.6%、17.4%,表明掺杂后体系的弹性应变范围显著减小。3、通过分析电子局域化函数来对体系进行成键分析。对于纯净石墨烯,我们发现在弹性应变范围时,石墨烯中每个原子与其最近邻原子都有互成120度角对称分布的三个吸引子,可见碳碳之间存在牢固的共价结合。而在非弹性应变范围,碳原子之间的吸引子出现明显的分离现象,电子高局域化区域在移向各个碳原子的周围;对于氮硼掺杂体系,发现在小于等于临界应变时,能保持原有的六角晶格不变,在进入非弹性应变范围时,体系不再保持原有的成键特征,C-N(B)键断裂,原子键形成原子链或团簇。4、通过对本征石墨烯和掺杂石墨烯电子性质研究,发现在对称应变下,本征石墨烯体系保持零带隙不变,而在进行氮(硼)原子的替位掺杂之后,费米能级处出现电子态,石墨烯体系从零带隙半金属转变为金属,并且应变对N(B)掺杂石墨烯的费米能级有调节作用。
【关键词】：第一性原理 石墨烯 应变 掺杂
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 碳元素及其异构体9-12
• 1.1.1 金刚石10
• 1.1.2 石墨10
• 1.1.3 富勒烯10-11
• 1.1.4 碳纳米管11-12
• 1.2 石墨烯的介绍12
• 1.3 石墨烯的制备12-14
• 1.3.1 微机械剥离法12-13
• 1.3.2 液相剥离法13
• 1.3.3 化学气相沉积法13-14
• 1.3.4 碳化硅热解法14
• 1.4 石墨烯的结构与性质14-16
• 1.4.1 力学性能15-16
• 1.4.2 电学性质16
• 1.5 本文的主要研究内容16-18
• 第2章 理论方法简介18-23
• 2.1 密度泛函理论18-23
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn定理18-19
• 2.1.2 Kohn-Sham方程19-21
• 2.1.3 交换关联泛函21-23
• 第3章 氮硼替位掺杂对石墨烯片在应变条件下结构与电子性质的调制23-30
• 3.1 引言23
• 3.2 模型与方法23-25
• 3.3 结果与讨论25-29
• 3.4 小结29-30
• 第4章 总结与展望30-32
• 4.1 总结30
• 4.2 展望30-32
• 参考文献32-35
• 致谢35

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本文编号：871334