应力作用下石墨烯能带结构研究

摘要

石墨烯作为一种二维材料，具有很高的机械强度，非常高的电导率和热传导性以及其它很多非常好的特性，使得其在很多的应用方面都具有很大的潜力。自从2004年石墨烯发现以来，很多理论和实验方面的科学家对这种材料展开了研究。
　　然而，对于理想的石墨烯，这种由碳原子构成的二维蜂窝状晶格结构，是一种零带隙的半导体材料，这限制了其在场效应管等电子器件方面的应用。为了解决这一问题，人们一直在探索调控石墨烯能带的方法，其中包括通过构建石墨烯纳米带和量子点以及通过构建对称性破缺的双层石墨烯的方法。此外，通过应力修正，理论上可以对石墨烯引入一个可以调控的带隙，并能够在实验上观测到。石墨烯的能带调控对于解决其在纳米电子器件应用中所面临的重大障碍提供了可行的方案。
　　本论文从密度泛函理论出发，对石墨烯引入局部应力并通过构建褶皱形石墨烯结构研究了三种不同类型的内部应力对于石墨烯能带结构的影响，并通过紧束缚方法对计算结果进行了解释，主要的研究内容和研究结果如下:
　　(1)对晶格内单个原子进行移动。密度泛函理论计算结果表明对于采取的两种不同的移动方向，在石墨烯狄拉克点处均产生一个大小为几十meV的带隙，且带隙的大小随着原子偏离初始位置的程度逐渐变化。对于所选取的两种移动方向的对比情况来看，其最终产生的带隙大小与结构的对称性有很大关系。通过紧束缚方法计算结果表明，这种带隙的产生主要归因于结构改变引起的π电子轨道作用能的改变。
　　(2)改变单个六元环大小。通过改变所选取晶胞内单个六元环形状，并没有使石墨烯产生带隙，结合紧束缚计算，表明这种结果的产生是由于在结构改变之后，其仍然保持很高的对称性，即使对π电子的作用能进行拟合，最终得到的石墨烯能带仍然是零带隙的。
　　(3)构建褶皱。本文选取两种不同方向对石墨烯构建褶皱，DFT计算结果表明最终带隙与所选取的褶皱的方向没有太大关系;为了研究褶皱程度以及褶皱周期对于石墨烯能带结构的影响，我们构建了不同程度和周期的褶皱，结果表明其对于石墨烯能带结构具有较大影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 石墨烯的兴起

1．1．1 石墨烯的合成

1．1．2 石墨烯的电子特性

1．2 石墨烯电子结构的能带调控

1．2．1 石墨烯纳米结构

1．2．2 双层和三层石墨烯结构

1．2．3 应力修正

1．3 选题意义

1．4 论文结构

参考文献

第二章 理论与计算方法

2．1 基本近似

2．2 密度泛函理论

2．2．1 Hohenberg-Kohn定理

2．2．2 Kohn-Sham方程

2．2．3 交换关联泛函的简化

2．3 紧束缚方法

参考文献

第三章 局部应力对石墨烯能带结构影响

3．1 前言

3．2 计算细节

3．3 单原子移动对石墨烯能带结构影响

3．3．1 结构变化

3．3．2 电子结构

3．3．3 紧束缚计算

3．3．4 带隙与原子移动距离关系

3．4 碳六元环形变对石墨烯能带影响

3．4．1 电子结构

3．4．2 紧束缚计算

3．5 本章小结

参考文献

第四章 褶皱对石墨烯能带结构影响

4．1 前言

4．2 计算细节

4．3 褶皱程度对能带结构影响

4．4 褶皱周期对能带结构的影响

4．5 本章小结

参考文献

第五章 论文总结与创新点

5．1 本文的主要内容与结果

5．2 本文主要的创新点

5．3 展望

攻读硕士期间取得的科研成果

致谢

附录