石墨烯基复合材料的电子结构和异质界面特性研究

发布时间：2020-10-11 04:05

　　 石墨烯是碳二异烯烃的二维单原子层,是二十一世纪热门的新材料,由于其卓越的电荷传输、热学、光学和力学性能而受到了全世界的关注。这些属性起源于其能带结构中的维度效应和电子调制,石墨烯及其衍生物正在诸多的科学和工程领域进行研究。最近的进展表明,石墨烯基复合材料可以对电子和光电器件、化学传感器、纳米复合材料和能量储存产生深远的影响。其中,石墨烯及其衍生物与锗金属衬底、贵金属硫化物复合结构的相关物理作用机制也是本领域的重要研究内容之一。本论文的主要研究内容如下:(1)研究了氧化石墨烯/氢钝化的锗-111衬底体系。重点研究其能带结构、电荷分布等性质。采用vdW-DF2的方法计算了氧化石墨烯在衬底稳定存在的可能性。研究结果给出了体系的能量与体系中各自成分的电子结构,发现了在界面位置存在着二维电子气。(2)研究石墨烯/贵金属硫化物异质结构。应用第一性原理的方法研究石墨烯/二硫化铂与石墨烯/二硫化钯两种异质结构的体系能量、能带结构与电荷分布。计算了这两种体系中各成分在不同晶格取向下结合后,界面夹角对体系整体以及各成分能量、能带结构和电荷分布的作用。研究发现,石墨烯/贵金属二硫化物异质结构在存在界面夹角的情况下会产生很小的肖特基势垒,石墨烯与贵金属二硫化物的接触类型为准欧姆接触。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11;TB33
【部分图文】：

１．１石墨烯的发现??为了满足Ｕ益增长的对经济和高性能设备的需求，研究人员从来没有停止过??寻找新材料来将其纳入下一代设备。近年来，石墨烯二维材料因为其非常特殊的??性质而受到很大程度的关注，在新型器件屮冇着重耍的应用前贵ＩＵ３１。二维分层??材料现在是材料科学，凝聚态物理和化学中最活跃的领域之？－。碳纳米结构足纳??米技术领域的领先材料。碳材料的发现和研究，对现代科学技术的进步作出了爪??大贡献。研究人员发现富勒烯和单壁碳纳米管（ＣＮＴ）分别是零维和？维碳纳米??材料，试图从二维品体中分离二维石墨材料或制造－维纳米带。从．：十世纪初开??始，Ｇｅｉｍ和Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ?Ｗ第一次系统地丫阐述丫石墨烯晶体管的隔离和电特性。??从足球如富勒烯（Ｃ６０）到单原子厚度的碳平面（称为石墨烯）到“卷起”管状石??墨烯忭，这些纳米结构中的人多数仅山ｓｐ２杂化碳原了？纟丨丨．成。这鸣类石■烯结构??的原子结构虽然都山ｓｐ２碳组成，怛化学物理性质不Ｎ。从对石粜烯和石墨的屯??子性质的最早的理论研究来看，石墨具有…些不寻常的性质己经变得更加清楚丫??［５１。后来，石墨，石墨烯和碳纳米管的许多性能己经逐渐被人们发现，例如石墨??。??

因此．未掺杂的石墨烯是一种零带隙半导体。谱带的线性色散导致产生零??质量的准粒子，即所谓的狄拉克费米子在接近退化点的能量处，其电子态形成完美??的狄拉克锥，如图１．３所示。但由于石墨烯没有带隙，阻止狄拉克费米子获得有限??的质量并使电子器件中石墨烯的使用复杂化［７１，这与石墨烯的两个碳原子晶格的??等价性有关。石墨烯的在狄拉克点处的费米速度约为１０６?ｍ／ｓ，并且石墨烯的电子??在轨道中移动时，不会因为外来原子的引入或缺陷而散射。石墨烯的载流子具有??很高的迁移率，在室温下可以达到１０倍于商用硅片的１５０００?ｃｍ２／Ｖ２ｓ，且随着温度??的升高会有显著的提高。因此，石墨烯实现了亚微米尺度的弹道输运，且受温度和??２??

ｆｒｏｍ?ＨＯＰＧ?修，，欠?、??：ｒ?Ｍ?＾?＾??图１．２使用胶带分离从高定向热解石墨中获得石墨烯??１．２石墨烯的结构和电子性质??无缺陷、无修饰的本征的石墨烯中碳原子按六元环的排列方式，形成一个密??集的六方蜂窝状晶体结构，在常温时会呈现一定的褶皱。和石墨类似，石墨烯的碳??原子和最近邻的三个碳原子以ｓｐ２杂化形式形成三个〇共价键，剩余一个未成键??的电子，在和片层相垂直的轨道上贡献一个强作用的７１键，ＪＴ电子因为未受到中心??离子实的束缚，可以在晶体里自由移动，这是石墨烯具有极高迁移率的根本原因。??石墨烯片在其原始晶胞中具有两个晶体学等效原子的蜂窝结构。两个带有ｐＺ??字符的波段属于不同的可简化表示，它们恰好在Ｋ和Ｋ’处的费米能量处交叉点动??量空间。因此．未掺杂的石墨烯是一种零带隙半导体。谱带的线性色散导致产生零??质量的准粒子，即所谓的狄拉克费米子在接近退化点的能量处，其电子态形成完美??的狄拉克锥
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本文编号：2836039