石墨烯及其摻雜體系電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的理論研究.pdf

1、石墨烯是一種新型二維平面碳納米材料，其特殊的單原子層結(jié)構(gòu)決定了它具有豐富而新奇的性質(zhì)。過去幾年中，石墨烯已經(jīng)成為了備受矚目的國(guó)際前沿和熱點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域有著潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值。本文利用基于第一性原理的密度泛函理論，對(duì)石墨烯及其摻雜體系電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行理論模擬和計(jì)算，為其在納米電子器件，儲(chǔ)能，新型傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
　　 對(duì)一定尺寸的石墨烯研究發(fā)現(xiàn)，隨著尺寸的增大，能隙逐漸減小，材料由半導(dǎo)體性質(zhì)逐漸向金屬性質(zhì)過渡，電荷

2、密度主要集中在邊緣部分，特別是集中于zigzag邊緣。設(shè)計(jì)了一系列石墨烯量子點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行了理論模擬計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯量子點(diǎn)包含六個(gè)苯環(huán)且呈正三角形結(jié)構(gòu)排列時(shí)，其同時(shí)具有磁性和光致發(fā)光現(xiàn)象。用含時(shí)密度泛函理論對(duì)其進(jìn)行激發(fā)態(tài)的計(jì)算，得到了該量子點(diǎn)的電子吸收光譜，找到了和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的波長(zhǎng)相一致的吸收光譜，提出石墨烯量子點(diǎn)的光致發(fā)光源于zigzag邊緣效應(yīng)。對(duì)其磁性分析發(fā)現(xiàn)，由于三重態(tài)比單重態(tài)更穩(wěn)定，就可以提供具有未成對(duì)電子的順磁中心而使

3、其具有磁性，因而要想使石墨烯具有磁性，就需要有一定的孤對(duì)電子。
　　 研究H2在石墨烯表面的吸附發(fā)現(xiàn)，H2在本征的單層石墨烯表面是很弱的物理吸附作用，H2和石墨烯表面的距離較遠(yuǎn)，吸附能也很小。當(dāng)有Al或Li+摻雜后，吸附能大大增加，體系的幾何構(gòu)型和電子結(jié)構(gòu)等都有了顯著的改變，H2與摻雜的石墨烯之間具有較強(qiáng)的物理吸附，從而大大增強(qiáng)了石墨烯基探測(cè)器對(duì)H2的靈敏度。
　　 對(duì)石墨烯儲(chǔ)鋰機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子吸附在石墨烯碳環(huán)心位時(shí)

4、最穩(wěn)定，其吸附能相比碳納米管大大增加，通過對(duì)Li+-石墨烯體系的電子態(tài)密度分析發(fā)現(xiàn)，有一部分電子從石墨烯轉(zhuǎn)移到鋰離子上，增強(qiáng)了體系的導(dǎo)電性質(zhì)。鋰離子要想穿越單層石墨烯勢(shì)壘，需要1.726eV的能量，而穿越有空穴的石墨烯勢(shì)壘則需要更大的能量。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯作為鋰離子電池的新型負(fù)極材料，有著很大的優(yōu)越性和應(yīng)用性。
　　 并五苯分子也可以看作是zigzag邊緣的石墨烯量子點(diǎn)，因?yàn)槠涓叩碾姾蛇w移率而成為一種倍受重視的有機(jī)半導(dǎo)體材料，為

5、了增加其在有機(jī)溶劑中的溶解性同時(shí)又保持高的電荷遷移率，我們?cè)诓⑽灞椒肿又幸霕O性取代基F，Cl，Br。采用密度泛函理論研究了它們的分子構(gòu)型，偶極矩，前線分子軌道，電離勢(shì)和親和能以及重組能。研究發(fā)現(xiàn)，這些鹵代并五苯和并五苯一樣具有很低的重組能(＜0.2eV)，因而具有很高的電荷遷移率。更為重要的是，當(dāng)取代基位于2位置或者2，9位置時(shí)鹵代并五苯是極性分子，因而易溶于有機(jī)溶劑而便于器件的加工和性能的穩(wěn)定(并五苯不溶于有機(jī)溶劑)，這表明它們是一