本征石墨烯和Al掺杂石墨烯吸附H2S分子的密度泛函理论研究

摘要

石墨烯是一种零带隙的二维蜂窝状六元环晶体结构，也能够看成为一层单独的碳原子。石墨烯因其各方面奇特的性质，得到了全世界广泛的关注，但是石墨烯仍然是一个试验性的材料。目前，石墨烯的产量依然很低，而且生产成本高，质量不稳定等，这些因素都制约着石墨烯进一步的实际应用。然而，这并不影响石墨烯的巨大魅力，石墨烯在气体传感器、电子光学器件、电池和超级电容等方面都具有极大的应用潜力。把石墨烯应用于气体传感器领域是因为它拥有超高的比表面积、电子迁移率以及对载流子浓度的变化极其敏感。不过本征石墨烯探测气体的灵敏性有限，仅对部分的气体(如NO2、NO等)有较高的灵敏性，所以为了改善石墨烯对气体的灵敏性，科学家们开始从掺杂石墨烯和缺陷石墨烯对气体分子的吸附方面进行探索。石墨烯中的各种缺陷已在文中进行了介绍，并且详细地阐述了产生缺陷的原因，另外为了能够表征石墨烯中的缺陷，本文还重点介绍了几种检测手段。最后应用了第一性原理方法在密度泛函理论的基础上，通过对吸附构型结构优化后的吸附能、几何结构、净电荷转移、轨道参数等数据进行计算，研究了本征石墨烯和 Al掺杂石墨烯吸附 H2S分子的情况。得到如下结论:
　　（1）H2S分子与本征石墨烯之间仅存在着微弱的物理吸附，而 H2S分子与Al掺杂石墨烯之间由于离子键和共价键的存在，表现出很强的化学吸附作用。
　　（2） H2S吸附于Al掺杂石墨烯上的吸附能为本征石墨烯的30倍，并且他们之间的净电荷转移远远大于后者；
　　（3）石墨烯经过Al原子掺杂之后，通过HOMO和LUMO可以了解到，其导电率得到了提升。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 石墨烯的结构

1.3 石墨烯的性质

1.4 石墨烯的制备

1.5 本文的主要内容

第二章 石墨烯中的缺陷和检测方法

2.1 晶体的缺陷

2.2 石墨烯中的缺陷

2.3 石墨烯缺陷的形成

2.4 石墨烯的表征手段

2.5 本章小结

第三章 理论与计算方法

3.1 第一性原理介绍

3.2 波恩-奥本海默（BO）近似

3.3 Hartree近似

3.4 Hartree-Fork 近似

3.5 密度泛函理论（DFT）

3.6 软件介绍

3.7 本章小结

第四章 Al掺杂对石墨烯吸附H2S分子的影响

4.1 计算方法与模型

4.2 计算结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 本文的不足和展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文