石墨烯/六角氮化硼能带的电场调控及锯齿型石墨烯纳米带迁移率的第一性原理研究

摘要

石墨烯具有优异独特的电学、热学和力学性质，在下一代纳米电子器件应用上具有巨大的前景。最近实验发现，h-BN是石墨烯的理想衬底，在graphene/h-BN中，石墨烯十分平整电荷分布均匀。这个体系的一个明显特征是二者存在旋转失配，因此有必要研究具有旋转失配的graphene/h-BN的电子能带，探索在该体系中打开带隙的方法，为其在纳米电子学中的应用提供依据。石墨烯具有异常高的载流子迁移率，其纳米带作为载流子传输通道是石墨烯纳米器件中的一个重要部分。特别地，锯齿型石墨烯纳米条带具有依赖于边缘的自旋分布，在自旋电子学中有着重要应用，因此研究锯齿型石墨烯纳米条带的迁移率具有十分重要的意义。在本论文中，我们基于第一性原理计算，对这两方面内容展开研究：
　　一、电场对Graphene/h-BN能带的调控
　　AB堆垛的Graphene/h-BN没有旋转失配，具有50meV的带隙，在电场作用下，带隙大小可以随电场大小而改变。我们计算了具有不同旋转角度（?=21.78o、27.8o、13.1o）的真实的Graphene/h-BN系统的电子结构，发现：①具有旋转角度的Graphene/h-BN体系在没有外部电场作用时有一个极其微小的带隙，在布里渊区K点保持了线性色散关系；②不像 AB堆垛 Graphene/h-BN体系电场可有效调节带隙，具有不同旋转角度的Graphene/h-BN体系的带隙对电场不敏感；③具有不同旋转角度Graphene/h-BN体系在吸附氧原子后，会打开一个可观的带隙，并且在外部垂直电场作用下，可以有效地调节带隙。
　　二、锯齿型石墨烯纳米带迁移率研究
　　我们采用第一性原理方法计算了锯齿型石墨烯纳米带的载流子迁移率。①理想锯齿型石墨烯纳米条带的载流子迁移率可以达到103cm2V-1s-1量级，随着条带宽度的增大而增大，且边缘局域态迁移率比扩展态的低两个数量级，只达到几十厘米2/（伏?秒）；②锯齿型石墨烯纳米带中央吸附氧原子后会使体系载流子（电子和空穴）迁移率增大，电子迁移率增加了22~198％，空穴的迁移率增加了50~201％，而且自旋极化载流子迁移率取决于缺陷的位置；③锯齿型石墨烯纳米条带中央存在SW缺陷会抑制载流子（电子和空穴）的迁移率，电子迁移率减小了28~77％，空穴迁移率减小了18~67％。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2在衬底上的石墨烯及其电子结构的调控

1.3 载流子迁移率简介

1.4 选题意义及研究内容

第二章 理论基础

2.1 密度泛函理论

2.2 载流迁移率计算理论

2.3 本文所用计算程序包介绍

第三章 电场对Graphene/h-BN能带结构的调控

3.1 引言

3.2 计算模型和方法

3.3 graphene/h-BN电子结构及其电场调控

3.4 本章小结

第四章 锯齿型石墨烯纳米带迁移率研究

4.1 引言

4.2 计算模型和方法

4.3 锯齿型石墨烯纳米条带载流子迁移率及其调控

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果