六方氮化硼、石墨烯及二者区域混合结构的第一性原理计算

发布时间：2020-03-21 23:38

【摘要】：石墨烯和六方氮化硼(h-BN)都是层间以范德华力结合的二维材料,二者均具有诸多奇特且优异的性能,在很多领域都有广阔的应用前景。而石墨烯和h-BN的区域混合结构(h-BNC)是一种新型的二维材料,即石墨烯和h-BN在层内的横向异质结构。它具有石墨烯和h-BN的很多优点,带隙介于石墨烯和h-BN中间。本研究对石墨烯、h-BN和h-BNC进行了第一性原理的密度泛函理论计算,对其能带结构及其他一些性能进行了系统的研究。石墨烯和h-BN均在航空航天领域有所应用,而低地球轨道的航天器需要在富原子氧的环境下工作,所以对石墨烯和h-BN在富原子氧环境下的性能表现研究是很有必要的。而对于h-BNC,现在仍然缺少可以准确调控其带隙值的制备工艺。针对这些背景,作了如下几项研究:对氧原子的吸附和掺杂对h-BN的电学性能影响进行了研究。结果显示,所有原子氧在h-BN上的吸附都会使h-BN的带隙下降,下降的幅度与原子氧吸附的方式有关。空位缺陷会使h-BN带隙下降,而单纯的氧掺杂不能使h-BN带隙发生明显的变化,但当掺杂的位点同时存在悬键时,带隙则会大幅下降。本研究发现,存在缺陷的h-BN在富原子氧环境下存在着自修复效应。研究显示,h-BN对于各种气体分子均有不透过性,而缺陷会大大降低它对氧分子的阻隔能力。而计算结果显示,原子氧可以在h-BN缺陷位置发生化学吸附,从而减少缺陷对h-BN的影响。相比于缺陷被修复之前的情况,被修复之后h-BN对于氧分子的阻隔能力大为上升。并且,原子氧修复过后,原本h-BN缺陷位置处的电子密度也有所上升,电子云孔洞大幅缩小。所以,原子氧会对h-BN的缺陷位置进行修补,从而增强带缺陷h-BN的阻隔能力。对h-BNC最稳定的结构类型进行了研究,并且探明了碳含量和层数对其带隙的影响。能量计算显示,h-BNC中h-BN和石墨烯分布越集中,结构越稳定;对带隙的计算显示,含碳量越高,单层h-BNC的带隙就越低。可以通过调节碳含量,精确地在0-4.647 eV之间控制h-BNC的带隙。同时,h-BNC的层数上升,它的带隙也会剧烈地下降。因此,可以通过对h-BNC含碳量的控制和层数的控制,协同调节h-BNC的带隙。本研究对于石墨烯和h-BN在富原子氧环境下的电学性能进行了第一性原理计算,对评估石墨烯和h-BN在富原子氧环境下电学性能表现有一定的指导意义。而对h-BNC带隙的计算,为制备特定带隙的h-BNC工艺设计提供了参考,对hBNC在带隙工程方面的应用也有一定的意义。
【图文】：

原子结构示意图,石墨

图 1-1 石墨烯的原子结构示意图零带隙的半导体，在石墨烯能带图中的费米能级处，，正好经过费米能级[20, 21]，而石墨烯中的载流子即为有[22, 23]。所以，石墨烯的性质为特殊的半金属性。作为电子迁移率非常高[24-27]。并且，石墨烯具有极大的场墨烯还有一些奇特的性能，比如 Klein 隧穿效应[28]和应[23, 29]，这些奇特的电学性能来自于石墨烯的特殊的电学性能使其在场效应晶体管、单电子晶体管、场发泛的应用前景。被制备出来之后，出现了很多关于石墨烯的第一性原烯的性质和应用提供了理论基础。比如，TopsakalM究了氧在石墨烯表面吸附的形式和吸附的能量，并且墨烯对氧的屏障能力[30]；Tsetseris L.等人计算了氢、墨烯所需要的最小能量，计算研究了石墨烯对这些原

硼原子,原子结构示意图,原子,粉色

研究生学位论文六方氮化硼、石墨烯及二者区域混合结构的化硼硼(h-BN)是一种与石墨烯很相似的二维材料，其层间堆积方式为 AB 堆积，因为它的结构与石墨烯的结构白色石墨烯[36]。在 h-BN 中，交替的硼原子和氮原子三个异类原子成键。与石墨烯类似，h-BN 的最小结观结构如图 1-2 所示。h-BN 与石墨烯具有相似的点8]。虽然结构相近，但是石墨烯和 h-BN 因为化学键的大差异[11, 22, 39]。h-BN 是宽带隙半导体[39]，所以电阻最初获得二维 h-BN 的方法也为透明胶带法[40]。之后二维 h-BN 的方法，比如机械剥离法[41]、超声辅助溶法[43]、湿化学法[44]等。其中，若要获得大尺寸高质量是化学气相沉积法。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O469

【相似文献】