摻雜多層石墨烯的電子結(jié)構(gòu)與介電性質(zhì)研究.pdf

1、石墨烯的開創(chuàng)性實驗工作于2010年獲得諾貝爾物理學獎[7][8][9][10].石墨烯工作在評選中獲勝的原因應(yīng)包含以下方面:其一，石墨烯的發(fā)現(xiàn)將會帶來一次電子工業(yè)發(fā)展的革命，或許會將人類物質(zhì)文明引入下一個時代.其二，石墨烯的現(xiàn)實獲得為在實驗條件下驗證現(xiàn)代量子規(guī)范場論，特別是量子電動力學(QED)提供了機會.
　　 本文通過第一性原理密度泛函計算主要得到了鎳原子摻雜的雙層及三層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)（或電子結(jié)構(gòu)）與介電性質(zhì).在雙層摻雜結(jié)

2、構(gòu)中，一個以及三個雙層石墨烯原胞摻雜一個鎳原子的體系分別得到0.30eV與0.19eV的能隙.通過對以上兩體系進行介電性質(zhì)計算，得出在垂直于體系平面方向上的相對電容率（靜態(tài)介電常數(shù)）分別為3.291與3.358，體系平面方向上相對電容率與傳統(tǒng)半導(dǎo)體硅鍺相當.
　　 本文工作著眼于石墨烯的應(yīng)用.通過密度泛函理論第一性原理計算，在針對多體相互作用交換關(guān)聯(lián)能泛函的局域密度近似(LDA)及投影放大平面波近似(PAW)下得到摻雜多層（雙層

3、及三層）石墨烯體系的能帶結(jié)構(gòu)與介電性質(zhì).選取此主題主要因為石墨烯巨大的半導(dǎo)體及微電子應(yīng)用潛力.眾多理論與實驗工作都表明，雙層石墨烯在垂直平面方向的外加電場作用下，其能隙可在0.1eV到0.3eV間變化.此外，ABC堆垛型的三層石墨烯在外加場以及外界原子摻雜下均呈現(xiàn)半導(dǎo)體性.特別是很多實驗與理論工作都表明對石墨烯相關(guān)體系進行多種摻雜可有效打開零能隙，結(jié)合現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，通過摻雜對物理體系改性是直接可行的方法.將眾多相關(guān)工作經(jīng)驗方法結(jié)

4、合到本文工作，確定選題為<摻雜多層石墨系的電子結(jié)構(gòu)與介電性質(zhì)研究>.我們發(fā)現(xiàn)在雙層石墨烯層間兩碳原子連線中心上方位置進行過渡金屬鎳原子摻雜可得最大約0.30eV的能隙.與此相應(yīng)三層摻雜石墨烯體系的ABA和ABC兩種能帶結(jié)構(gòu)類似，均未得到能隙，仍維持本征金屬性.在雙層摻雜體系中考慮了摻雜濃度變化對能帶結(jié)構(gòu)的影響，并對費米能級附近獲得能隙的兩摻雜雙層體系分別進行了介電性質(zhì)計算，發(fā)現(xiàn)相對電容率在平面方向與硅鍺的12與16接近，垂直方向低于二氧

5、化硅的3.9.對本征體系，我們將密度泛函計算得到的能帶結(jié)構(gòu)與緊束縛近似的能帶結(jié)果進行比較以顯示密度泛函計算可為緊束縛哈密頓矩陣提供必要參數(shù).一些計算結(jié)果如能隙值，晶格常數(shù)等都與最近可信的實驗數(shù)據(jù)及理論計算結(jié)果進行了比對.在工作中必要處引用了一些他人的結(jié)果和計算方法.工作最后，簡要介紹了涉及石墨烯的理論物理各學科的交叉，以期促進石墨烯領(lǐng)域的研究熱情及激發(fā)后續(xù)理論工作的一些靈感.
　　 不論是國內(nèi)國外的，還是實驗的或者理論分析的，關(guān)