电场作用下双层石墨烯吸附气体分子的电磁性质研究
发布时间：2021-07-13 09:58
石墨烯具有较高的热导率、电子迁移率和较低的电子噪声等优异电学特性,以及独特的光学性质、较高的机械强度、和相对稳定的化学性质,尤其是巨大的比表面积,在气敏器件方面具有广泛应用前景。但是本征石墨烯的物理化学性质相对稳定,对气体分子的吸附作用较弱。对石墨烯进行掺杂修饰,或者外加电场等改性之后,能够显著改善石墨烯对气体分子的吸附和检测效果。本文以AA型双层石墨烯（BG）为研究对象,基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,首先研究了 AA堆叠型双层石墨烯掺杂金属原子（Pd,Mo）后对气体分子CO和NO的吸附机理和气敏特性;其次研究了过渡金属（TM=V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni）掺杂双层石墨烯对H2S吸附的结构和电子性质,并讨论了电场作用下的吸附构型、吸附能、电荷转移和电荷密度分布;最后研究了双层石墨烯在储氢方面的性能。全文主要工作和结论如下:（1）对于AA堆叠型双层石墨烯掺杂Pd,Mo原子（Pd/BG,Mo/BG）,金属原子的掺杂改变了双层石墨烯的电子性质和局部几何结构,有利于气体分子的吸附。CO和NO吸附在Pd/BG上的最稳定结构是不同的,CO分子近似平行于石墨烯表面,而NO分子几乎垂直于石...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯结构
功能化的特点。这些优异性能使得它广泛地应用于透明电极材料，能源采集储存中的活性材料，场效应晶体管中的通道材料和催化材料等。按照层数的不同，石墨烯可分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯。单层石墨烯是指由一层碳原子构成的六边形周期性二维材料；双层石墨烯是指由两层碳原子构成的六边形周期性二维材料，少层石墨烯是指由3-10层碳原子构成的六边形周期性以不同方式堆叠形成的二维材料；多层石墨烯是指由10层以上10nm以下的碳原子构成的六边形周期性二维材料。双层石墨烯主要分为AA型和AB型两种，如图1.2所示。AA型双层石墨烯的第一层的每一个碳原子刚好在第二层的碳原子之上，而AB型双层石墨烯的结构是第一层一半碳原子在第二层碳原子顶部，另一半在碳原子的六角中心位置。和AB型双层石墨烯相比，AA型双层石墨烯具有半导体特性，并且具有与单层石墨烯相似的几何结构和电子性质。图1.2双层石墨烯结构(a)AA型双层石墨烯，(b)AB型双层石墨烯Fig.1.2Theconfigurationofbilayergraphene(a)AA-stackedbilayergraphene,(b)AB-stackedbilayergraphene
1绪论31.3石墨烯的基本性质1.3.1电学性质石墨烯层内每个碳原子分别与相邻的三个碳原子以sp2杂化轨道相互交盖形成了三个σ-轨道共价键，剩下一个未参与杂化的Pz轨道垂直于石墨烯表面，其上未成键的π电子受原子核束缚较少，可以在石墨烯平面上移动，类似于无质量的狄拉克费米子，这便赋予了石墨烯良好的电学性质。Wallace等人于1947年首次提出石墨烯的电子能带结构，并利用紧束缚近似模型计算出石墨烯的能带结构，如图1.3所示[5]。从图中可以看到，首先，石墨烯是零带隙的半导体结构；其次，能带的导带和价带相交形成六个狄拉克点，每个狄拉克点附近出现一个锥形的谷；第三，在费米面附近，电子的色散关系呈线性[6]。这种电子特性使得石墨烯呈现出一些独特的物理化学效应。图1.3石墨烯能带结构示意图[5]Fig.1.3Thebandstructureofgraphene1.3.2磁学性质石墨烯本身是没有任何磁性的，无论是单层石墨烯还是双层石墨烯。但是通过研究发现，石墨烯在经过掺杂、弯曲、缺陷、吸附、机械裁剪、外加电场或磁场等改性方法后，可以诱导石墨烯出现磁性。比如，在双层石墨烯纳米带中间吸附金属原子链，可以诱导石墨烯纳米带出现磁性，且吸附不同的金属原子，诱导出的磁矩大小也不相同[7]。研究结果证明石墨烯在自旋电子学以及纳米磁性材料等领域具有广阔的应用前景。Muiz等人研究了N取代缺陷附近的单个和多个氧原子的吸附，发现了一个包含三个氧
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯中单原子空位缺陷磁性的调控（英文）[J]. 张钰,高飞,高世武,何林. Science Bulletin. 2020(03)
[2]锂改性点缺陷石墨烯储氢性能的第一性原理研究[J]. 胡明明,赵高峰. 原子与分子物理学报. 2019(03)
[3]改性石墨烯HCN气敏特性的第一性原理研究[J]. 马欢,马玲,张建民. 云南大学学报(自然科学版). 2018(05)
[4]非金属与金属原子共掺杂石墨烯体系的气敏特性研究[J]. 唐亚楠,吴莹丽,周金成,柴花斗,张红卫,王彦彦,孙贝贝. 原子与分子物理学报. 2018(05)
[5]小分子吸附调控Ti掺杂石墨烯电子结构和磁性的密度泛函理论研究[J]. 马玲,马欢,张建宁,马良财,张建民. 原子与分子物理学报. 2018(04)
[6]基于密度泛函理论研究掺杂石墨烯对CO分子吸附性能[J]. 董海宽,杨子龙,关众博,齐义辉. 人工晶体学报. 2018(05)
[7]改性石墨烯SO2气敏性质的第一性原理研究[J]. 马玲,马欢,张建宁,林雪玲,张建民. 原子与分子物理学报. 2018(02)
[8]密度泛函理论研究纯的及不同掺杂原子石墨烯和CaH2分子相互作用[J]. 王群,孙玉希,崔书亚,黄文,谢欣宏. 原子与分子物理学报. 2017(05)
[9]钇对石墨烯储氢性能的影响[J]. 李媛媛,赵新新,宓一鸣,孙改丽,吴建宝,汪丽莉. 物理化学学报. 2016(07)
[10]石墨烯带隙的调控及其研究进展[J]. 蔡乐,王华平,于贵. 物理学进展. 2016(01)
博士论文
[1]金属修饰多孔石墨烯储氢性能的第一性原理研究[D]. 元丽华.兰州理工大学 2018
硕士论文
[1]石墨烯及扶手椅型石墨烯纳米带第一性原理分析研究[D]. 邓宁康.西安理工大学 2019
[2]单层石墨烯电子结构、光学与热力学性能研究[D]. 赵娟平.陕西理工大学 2019
[3]石墨烯体系的钼（Mo）原子掺杂及缺陷的STM研究[D]. 万闻.中南大学 2014
[4]双层石墨烯纳米带的第一性研究[D]. 刘华.浙江师范大学 2012
本文编号：3281850
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯结构
功能化的特点。这些优异性能使得它广泛地应用于透明电极材料，能源采集储存中的活性材料，场效应晶体管中的通道材料和催化材料等。按照层数的不同，石墨烯可分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯。单层石墨烯是指由一层碳原子构成的六边形周期性二维材料；双层石墨烯是指由两层碳原子构成的六边形周期性二维材料，少层石墨烯是指由3-10层碳原子构成的六边形周期性以不同方式堆叠形成的二维材料；多层石墨烯是指由10层以上10nm以下的碳原子构成的六边形周期性二维材料。双层石墨烯主要分为AA型和AB型两种，如图1.2所示。AA型双层石墨烯的第一层的每一个碳原子刚好在第二层的碳原子之上，而AB型双层石墨烯的结构是第一层一半碳原子在第二层碳原子顶部，另一半在碳原子的六角中心位置。和AB型双层石墨烯相比，AA型双层石墨烯具有半导体特性，并且具有与单层石墨烯相似的几何结构和电子性质。图1.2双层石墨烯结构(a)AA型双层石墨烯，(b)AB型双层石墨烯Fig.1.2Theconfigurationofbilayergraphene(a)AA-stackedbilayergraphene,(b)AB-stackedbilayergraphene
1绪论31.3石墨烯的基本性质1.3.1电学性质石墨烯层内每个碳原子分别与相邻的三个碳原子以sp2杂化轨道相互交盖形成了三个σ-轨道共价键，剩下一个未参与杂化的Pz轨道垂直于石墨烯表面，其上未成键的π电子受原子核束缚较少，可以在石墨烯平面上移动，类似于无质量的狄拉克费米子，这便赋予了石墨烯良好的电学性质。Wallace等人于1947年首次提出石墨烯的电子能带结构，并利用紧束缚近似模型计算出石墨烯的能带结构，如图1.3所示[5]。从图中可以看到，首先，石墨烯是零带隙的半导体结构；其次，能带的导带和价带相交形成六个狄拉克点，每个狄拉克点附近出现一个锥形的谷；第三，在费米面附近，电子的色散关系呈线性[6]。这种电子特性使得石墨烯呈现出一些独特的物理化学效应。图1.3石墨烯能带结构示意图[5]Fig.1.3Thebandstructureofgraphene1.3.2磁学性质石墨烯本身是没有任何磁性的，无论是单层石墨烯还是双层石墨烯。但是通过研究发现，石墨烯在经过掺杂、弯曲、缺陷、吸附、机械裁剪、外加电场或磁场等改性方法后，可以诱导石墨烯出现磁性。比如，在双层石墨烯纳米带中间吸附金属原子链，可以诱导石墨烯纳米带出现磁性，且吸附不同的金属原子，诱导出的磁矩大小也不相同[7]。研究结果证明石墨烯在自旋电子学以及纳米磁性材料等领域具有广阔的应用前景。Muiz等人研究了N取代缺陷附近的单个和多个氧原子的吸附，发现了一个包含三个氧
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯中单原子空位缺陷磁性的调控（英文）[J]. 张钰,高飞,高世武,何林. Science Bulletin. 2020(03)
[2]锂改性点缺陷石墨烯储氢性能的第一性原理研究[J]. 胡明明,赵高峰. 原子与分子物理学报. 2019(03)
[3]改性石墨烯HCN气敏特性的第一性原理研究[J]. 马欢,马玲,张建民. 云南大学学报(自然科学版). 2018(05)
[4]非金属与金属原子共掺杂石墨烯体系的气敏特性研究[J]. 唐亚楠,吴莹丽,周金成,柴花斗,张红卫,王彦彦,孙贝贝. 原子与分子物理学报. 2018(05)
[5]小分子吸附调控Ti掺杂石墨烯电子结构和磁性的密度泛函理论研究[J]. 马玲,马欢,张建宁,马良财,张建民. 原子与分子物理学报. 2018(04)
[6]基于密度泛函理论研究掺杂石墨烯对CO分子吸附性能[J]. 董海宽,杨子龙,关众博,齐义辉. 人工晶体学报. 2018(05)
[7]改性石墨烯SO2气敏性质的第一性原理研究[J]. 马玲,马欢,张建宁,林雪玲,张建民. 原子与分子物理学报. 2018(02)
[8]密度泛函理论研究纯的及不同掺杂原子石墨烯和CaH2分子相互作用[J]. 王群,孙玉希,崔书亚,黄文,谢欣宏. 原子与分子物理学报. 2017(05)
[9]钇对石墨烯储氢性能的影响[J]. 李媛媛,赵新新,宓一鸣,孙改丽,吴建宝,汪丽莉. 物理化学学报. 2016(07)
[10]石墨烯带隙的调控及其研究进展[J]. 蔡乐,王华平,于贵. 物理学进展. 2016(01)
博士论文
[1]金属修饰多孔石墨烯储氢性能的第一性原理研究[D]. 元丽华.兰州理工大学 2018
硕士论文
[1]石墨烯及扶手椅型石墨烯纳米带第一性原理分析研究[D]. 邓宁康.西安理工大学 2019
[2]单层石墨烯电子结构、光学与热力学性能研究[D]. 赵娟平.陕西理工大学 2019
[3]石墨烯体系的钼（Mo）原子掺杂及缺陷的STM研究[D]. 万闻.中南大学 2014
[4]双层石墨烯纳米带的第一性研究[D]. 刘华.浙江师范大学 2012
本文编号：3281850
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