應(yīng)變下氮和硼替位摻雜石墨烯的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì).pdf

1、石墨烯由于具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)特征，因而表現(xiàn)出奇異的力學(xué)性能、電學(xué)性能及熱力學(xué)性能，有望在納米電子器件方面、傳感器方面、復(fù)合材料方面和儲(chǔ)能方面得到廣泛的應(yīng)用。尤其是由于它絕佳的電子性能，決定了石墨烯有可能替代半導(dǎo)體塊體硅材料成為新一代納米電子器件的基礎(chǔ)材料。但是由于石墨烯是一種半金屬材料，帶隙寬度為零，直接應(yīng)用于納米尺度電子器件或電子電路中的范圍非常有限，所以如何有效地控制其電子結(jié)構(gòu)是應(yīng)用中最重要的一環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)，通過對石墨烯進(jìn)行氮(硼)

2、的替位摻雜可以獲得n(p)-石墨烯半導(dǎo)體，并可以通過改變其摻雜濃度來調(diào)節(jié)其性質(zhì)。而在實(shí)際的應(yīng)用中，由于與襯底或其他環(huán)境的作用，會(huì)使得石墨烯的結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，并且這種形變會(huì)影響石墨烯的物理、化學(xué)性質(zhì)，因此對 N(B)摻雜對石墨烯在應(yīng)變之下的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)的研究非常重要。本文中，采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算（從頭計(jì)算）方法，研究了氮和硼摻雜石墨烯在不同應(yīng)變之下的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，研究的結(jié)果主要分為以下幾部分：
　　1、對無摻雜純凈

3、石墨烯、N替位摻雜石墨烯和B替位摻雜石墨烯體系進(jìn)行了結(jié)構(gòu)弛豫計(jì)算，得到了平衡狀態(tài)下各個(gè)體系的的晶格常數(shù)：本征石墨烯體系的晶格常數(shù)為1.4683nm；N摻雜石墨烯的晶格常數(shù)為1.4663nm；B摻雜石墨烯體系的晶格常數(shù)為1.4713nm。與本征石墨烯相比，N摻雜石墨烯的晶格常數(shù)減小， B摻雜石墨烯的晶格常數(shù)增大。
　　2、研究了各體系的總能量隨應(yīng)變的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)對于純凈石墨烯，在應(yīng)變30％時(shí)體系的總能發(fā)生突變，體系在應(yīng)變大于30%

4、的情況下不再處于彈性應(yīng)變范圍，即純石墨烯的臨界應(yīng)變?yōu)?0%；而對于氮硼摻雜石墨烯，得到的臨近應(yīng)變分別為17.6%、17.4%，表明摻雜后體系的彈性應(yīng)變范圍顯著減小。
　　3、通過分析電子局域化函數(shù)來對體系進(jìn)行成鍵分析。對于純凈石墨烯，我們發(fā)現(xiàn)在彈性應(yīng)變范圍時(shí)，石墨烯中每個(gè)原子與其最近鄰原子都有互成120度角對稱分布的三個(gè)吸引子，可見碳碳之間存在牢固的共價(jià)結(jié)合。而在非彈性應(yīng)變范圍，碳原子之間的吸引子出現(xiàn)明顯的分離現(xiàn)象，電子高局域化區(qū)

5、域在移向各個(gè)碳原子的周圍；對于氮硼摻雜體系，發(fā)現(xiàn)在小于等于臨界應(yīng)變時(shí)，能保持原有的六角晶格不變，在進(jìn)入非彈性應(yīng)變范圍時(shí)，體系不再保持原有的成鍵特征，C-N(B)鍵斷裂，原子鍵形成原子鏈或團(tuán)簇。
　　4、通過對本征石墨烯和摻雜石墨烯電子性質(zhì)研究，發(fā)現(xiàn)在對稱應(yīng)變下，本征石墨烯體系保持零帶隙不變，而在進(jìn)行氮（硼）原子的替位摻雜之后，費(fèi)米能級處出現(xiàn)電子態(tài)，石墨烯體系從零帶隙半金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘?并且應(yīng)變對N（B）摻雜石墨烯的費(fèi)米能級有調(diào)節(jié)作用