石墨烯及其復(fù)合材料磁性和光催化性能的第一性原理研究.pdf

1、石墨烯，一種由單層碳原子構(gòu)成的二維周期性蜂窩狀點陣結(jié)構(gòu)的新型納米材料，自2004發(fā)現(xiàn)以來，因其獨特的幾何結(jié)構(gòu)和新穎的物理化學(xué)性質(zhì)激起了全世界的研究熱潮。特別是近來石墨烯復(fù)合材料的研究成為了人們關(guān)注的焦點。本論文基于密度泛函理論研究了石墨烯及其復(fù)合材料的電子結(jié)構(gòu)、磁性和光催化性能。全文主要內(nèi)容如下:
　　(1)研究了亞甲基有機基團邊界修飾石墨烯納米帶的電子結(jié)構(gòu)和磁性。計算結(jié)果表明，亞甲基邊界修飾抑制了鋸齒型石墨烯納米帶邊界的自旋極化

2、，基團修飾位置和濃度的改變將導(dǎo)致石墨烯條帶出現(xiàn)不同的磁特性，如非磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性基態(tài)，且能帶帶隙也隨之改變。在非磁性基態(tài)下，亞甲基修飾的石墨烯條帶的帶隙最大值可達(dá)到0.81eV。導(dǎo)致這些新穎現(xiàn)象的主要原因是由于亞甲基飽和了石墨烯的不成對σ和π鍵，而亞甲基只能提供一個自由電子，其有限的飽和范圍導(dǎo)致了不同的電子結(jié)構(gòu)特性。這也進(jìn)一步論證了石墨烯磁性來自于不飽和的σ和π鍵。我們的研究結(jié)果提出了一種利用亞甲基邊界修飾控制石墨烯帶隙

3、和磁性態(tài)的可能方法，并揭示了石墨烯自旋極化的機理。
　　(2)研究了Zn摻雜AlN和GaN的d0磁特性以及形成機制。通過比較Zn摻雜纖鋅礦AlN和GaN體材料的電子結(jié)構(gòu)和自旋極化率，揭示半導(dǎo)體實現(xiàn)d0磁性的一些必要的條件。Zn摻雜AlN基底將自旋極化獲得1.0μB的磁矩，而摻雜GaN不能實現(xiàn)自旋極化。計算結(jié)果表明Zn摻雜導(dǎo)致氮化物半導(dǎo)體基底自發(fā)自旋極化不僅決定于雜質(zhì)Zn原子周圍N原子的局域軌道和空穴濃度，還取決于基底共價鍵的相對強

4、度。GaN中共價鍵的強度大于AlN，促使GaN基底無法形成局域磁矩。我們的研究結(jié)果給出了一個關(guān)于半導(dǎo)體d0磁特性的新的物理現(xiàn)象。
　　(3)研究了石墨烯與Ag3PO4復(fù)合材料優(yōu)異光催化性能和穩(wěn)定性的物理機制。計算結(jié)果表明，石墨烯與Ag3PO4(100)面的相互作用導(dǎo)致石墨烯電荷分布的漲落，界面的內(nèi)建電場促使電子由Ag3PO4表面向石墨烯轉(zhuǎn)移，降低了表面Ag原子還原的幾率，因而顯著地提高了Ag3PO4與石墨烯復(fù)合材料的穩(wěn)定性。Ag3

5、PO4與石墨烯復(fù)合材料的價帶頂部由C的2p態(tài)構(gòu)成，導(dǎo)致其帶隙減少到0.53eV，因此復(fù)合材料可以吸收整個可見光，是具有優(yōu)異的光催化性能的主要原因。計算的吸收光譜中，在440nm附近峰值可以合理地解釋電子自旋共振實驗結(jié)果。這些結(jié)果為已有的實驗結(jié)果提供了理論證據(jù)，對推動Ag3PO4基的納米復(fù)合光催化材料的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。
　　(4)研究了半導(dǎo)體材料與石墨烯和還原氧化石墨烯界面之間的相互作用。選取CeO2作為例子，系統(tǒng)地研究了石墨烯基

6、半導(dǎo)體復(fù)合材料中界面的相互作用。結(jié)果表明，石墨烯基半導(dǎo)體復(fù)合材料界面之間的電荷轉(zhuǎn)移量隨著氧原子濃度的增大而增加，而界面之間的距離隨之減少，表明CeO2與還原氧化石墨烯之間的相互作用遠(yuǎn)大于其與石墨烯之間的相互作用。通過研究兩種典型的半導(dǎo)體Ag3PO4和TiO2與石墨烯和氧化石墨烯復(fù)合材料之間的相互作用，可以得出，半導(dǎo)體與氧化石墨烯之間的作用比與石墨烯的作用強是普遍現(xiàn)象。另外，界面相互作用可以調(diào)節(jié)復(fù)合材料的能帶結(jié)構(gòu):CeO2(111)與石墨