石墨烯等低維體系電子結(jié)構(gòu)與氫氣存儲(chǔ)的理論研究.pdf

1、石墨烯表現(xiàn)出來的優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高電子遷移率、高熱導(dǎo)率、常溫霍爾效應(yīng)、無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子等，使其在眾多領(lǐng)域都擁有巨大的應(yīng)用前景。而隨著石墨烯的廣泛研究，石墨烯納米帶也很快地進(jìn)入了人們的視野。石墨烯納米帶已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)具有很多優(yōu)越的性質(zhì)，如帶隙調(diào)控、半金屬等，相比鋸齒型石墨烯納米帶，扶手椅型石墨烯納米帶因缺乏磁性以及費(fèi)米能級(jí)附近的邊緣態(tài)而相對(duì)研究較少，但一些理論研究表明，相比鋸齒型石墨烯納米帶，扶手椅型石墨烯納米帶從能量以及熱力學(xué)上

2、都更加穩(wěn)定的。
　　本文研究了通過化學(xué)上常用的引入磁性的方法-基團(tuán)修飾，成功地在無磁性的扶手椅型石墨烯納米帶中引入了磁性，并研究了其磁性機(jī)理。
　　隨著石墨烯的廣泛研究，研究者們開始對(duì)其它二維納米材料產(chǎn)生了很大的興趣。另一種和石墨烯結(jié)構(gòu)類似的Ⅲ-Ⅴ族化合物二維材料-單層六角氮化硼也因其良好的熱穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性等引起了人們極大的研究熱情。在氮化硼納米帶中也發(fā)現(xiàn)一些有趣的物理性質(zhì)，例如帶隙可以通過納米帶寬度、碳摻雜以及斯達(dá)克

3、效應(yīng)來調(diào)控，另外，也可以通過外加電場或硼邊飽和氫原子實(shí)現(xiàn)半金屬特性。
　　本文研究了常見的雜質(zhì)-空位對(duì)于氮化硼納米帶的電子結(jié)構(gòu)和磁性的影響，并成功地在此體系中得到了和納米帶寬度無關(guān)的自旋無帶隙(spin gapless)半導(dǎo)體。
　　幾十年來，人們對(duì)發(fā)現(xiàn)新的碳同素異形體有著極大的興趣。石墨炔作為一種sp雜化軌道與sp2雜化軌道并存的二維碳的同素異形體，很早就被理論證明是最容易合成的人造碳材料。近期石墨炔終于在銅襯底上被成功合

4、成，實(shí)驗(yàn)證明它是電導(dǎo)率為2.516*10-4 Sm-1的半導(dǎo)體，其電導(dǎo)率可與硅比擬。隨著世界范圍內(nèi)對(duì)能源的需求越來越大，氫氣作為一種重要的清潔能源備受關(guān)注。碳納米材料因其高表比面積、多孔洞等特點(diǎn)被認(rèn)為是一種良好的儲(chǔ)氫材料。本文研究了石墨炔中的氫氣存儲(chǔ)。
　　第一章首先簡單介紹石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和主要制備方法，從石墨烯引入石墨烯納米帶實(shí)驗(yàn)和理論的研究現(xiàn)狀;然后介紹與石墨烯結(jié)構(gòu)類似的單層六角氮化硼以及氮化硼納米帶的制備和電子結(jié)

5、構(gòu)等;最后簡單介紹一下氫氣存儲(chǔ)的現(xiàn)狀。
　　第二章簡要介紹了密度泛函理論、波函數(shù)構(gòu)造、贗勢等方法，并引入范德瓦爾斯作用來改善密度泛函理論。
　　第三章介紹含空位氮化硼納米帶中的電子結(jié)構(gòu)以及自旋無帶隙半導(dǎo)體。通過基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算，本工作研究了實(shí)驗(yàn)中常見的雜質(zhì)-空位對(duì)于氮化硼納米帶的電子結(jié)構(gòu)以及磁學(xué)性質(zhì)的影響。通過不同類型、不同濃度以及不同位置的空位摻雜得到了多樣化的能帶結(jié)構(gòu)，例如，semimetal、半導(dǎo)體、以

6、及兩種類型的自旋無帶隙半導(dǎo)體。此工作中得到的自旋無帶隙半導(dǎo)體不依賴于納米帶寬度。我們提出了一種尋找自旋無帶隙半導(dǎo)體材料的新方法，即尋找金屬與磁性半導(dǎo)體的中間態(tài)。幾乎所有研究的空位摻雜體系都是有磁性的，磁性主要起源于由于空位引起的近鄰原子的懸掛鍵，并可以用斯通納判據(jù)來理解。這些預(yù)測出的特殊能帶結(jié)構(gòu)為氮化硼納米帶設(shè)計(jì)成自旋電子學(xué)器件提供了理論計(jì)算基礎(chǔ)。
　　第四章介紹邊緣基團(tuán)修飾扶手椅型石墨烯納米帶的磁性研究?；诿芏确汉碚摚竟ぷ?/p>

7、研究了二價(jià)基團(tuán)(O，CH2，以及NH)修飾扶手椅型石墨烯納米帶的電子結(jié)構(gòu)以及磁性。通過基團(tuán)修飾成功地在扶手椅型石墨烯納米帶中引入了磁性，并且在某些體系中發(fā)現(xiàn)了一些特殊的能帶結(jié)構(gòu)，例如準(zhǔn)金屬以及不依賴于納米帶寬度的自旋無帶隙半導(dǎo)體。不是所有的基團(tuán)修飾都可以引入磁性，并且不同基團(tuán)所引入磁性的強(qiáng)弱也有所不同，NH修飾體系就是無磁性的半導(dǎo)體，而CH2引入的磁性要比O基團(tuán)引入的磁性強(qiáng)。磁性主要來源于基團(tuán)與邊緣未被修飾的碳原子的懸掛鍵。另外我們用簡

8、單的化學(xué)鍵模型分析了不同基團(tuán)引起不同磁性行為的原因。本工作的研究結(jié)果有助于在扶手椅型石墨烯納米帶引入磁性，豐富了dO磁性的研究。
　　第五章介紹石墨炔中的氫氣存儲(chǔ)。本工作通過基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算研究了石墨炔上的氫氣存儲(chǔ)以及電場對(duì)氫氣存儲(chǔ)的影響。首先研究了氫氣在石墨炔上不同位置的吸附情況，發(fā)現(xiàn)此體系中氫氣存儲(chǔ)的重量比高達(dá)20 wt％，但由于氫氣分子的排斥作用使得結(jié)合能只有0.085 eV，略低于最佳的氫氣吸附能(0.1～

9、0.2 eV/H2)。通過外加電場可以增大氫氣的吸附能，在電場為0.004 a.u.（約0.2 V/(A)）下，氫氣的平均結(jié)合能從0.08eV增加至0.27eV，相應(yīng)的重量比約為11.1 wt％。
　　第六章介紹磁性元素-錳摻雜拓?fù)浣^緣體。通過第一性原理研究自旋軌道耦合與磁序的相互作用，本工作研究了單個(gè)錳在三維拓?fù)浣^緣體材料硒化鉍中最佳的摻雜位置，發(fā)現(xiàn)考慮自旋軌道耦合和電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)可以改變最佳摻雜位。另外本工作還研究了錳摻雜的鐵磁序