石墨烯及扶手椅型石墨烯纳米带第一性原理分析研究

摘要

石墨烯即“单层石墨片”，是一种二维六元环状结构的新型材料，特殊的电子结构使得石墨烯拥有优异的物理性质和化学性质。但石墨烯零带隙结构，使其在半导体器件中的应用受到限制。本文基于MS计算软件平台得到不同浓度硼原子和氮原子掺杂石墨烯的电子结构，并计算分析硼氮双原子共掺杂石墨烯的电子结构和光学性质。研究讨论扶手椅型石墨烯纳米带和掺杂硼原子的扶手椅型石墨烯纳米的电子结构和光学性质。相关结论为石墨烯在半导体器件中的应用提供一定的理论分析基础。 本论文的主要工作分为如下： 1．基于第一性原理中的密度泛函理论，计算分析本征石墨烯和不同浓度下硼原子和氮原子掺杂石墨烯的几何结构和电子性质。结果表明本征的石墨烯是一种带隙为零的特殊材料，导带和价带相交于狄拉克点。掺杂硼原子的石墨烯体系属于强p型掺杂，狄拉克点不为零，并且随掺杂浓度的增大，费米能级进入价带，使价带成为非满带，展现金属的特性。氮原子掺杂体系属于强n型掺杂，随氮原子掺杂浓度的升高，费米能级进入导带，展现金属的特性。硼氮双原子共掺杂石墨烯体系中，硼原子2p轨道电子和氮原子2p轨道电子杂化强烈，使得费米能级处带隙被打开。对位掺杂体系的带隙值最大，为1.287eV。三种不同位置掺杂体系中，间位掺杂体系的静态介电函数值最大。低频区邻位掺杂体系的吸收峰值最大，高频区对位掺杂体系的吸收峰值最大。对位掺杂在远紫外光波段的反射强度最大，且在红外和可见光波段的反射频段更宽。间位掺杂体系对波长更长的红外光波段的反射效应更加明显。 2．基于MS计算软件平台上建立不同宽度的石墨烯纳米带模型，计算其电子结构和光学性质。结果表明石墨烯制成一定宽度的纳米带，能带带隙被打开。随着纳米带带宽的增大，纳米带带隙值呈现出周期为3的变化特性。在一个周期内，能带的带隙值的大小变化规律可以写成Eg(Na=3m+1)＞Eg(Na=3m)＞Eg(Na=3m+2)。随着石墨烯纳米带宽度的增加，介电函数的虚部峰值发生红移。 3．计算并分析不同位置下掺杂硼原子的石墨烯纳米带的形成能，结果表明边缘掺杂硼原子的石墨烯纳米带的结构更加的稳定。计算得到边缘掺杂硼原子的石墨烯纳米带的电子结构和光学性质，结果表明边缘掺杂硼原子后的石墨烯纳米带形成了0.5eV左右的带隙。石墨烯纳米带光学吸收谱的峰值在掺杂后将会减弱。利用掺杂的方法来调制石墨烯纳米带的性能具有一定的意义，为今后新型半导体器件提供理论基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 低维纳米碳材料概述

1.2 石墨烯研究概述

1.2.1 石墨烯发现和特性

1.2.2石墨烯结构

1.2.3石墨烯性质及应用

1.2.4 石墨烯常用制备方法

1.2.5石墨烯表征方法

1.3 石墨烯纳米带研究概述

1.3.1石墨烯纳米带结构

1.3.2 石墨烯纳米带应用

1.3.3石墨烯纳米带制备

1.4 本论文研究意义及结构安排

2 理论基础及计算方法

2.1 第一性原理

2.1.1 Born-Oppenheimer近似

2.1.2单电子近似

2.2 密度泛函理论

2.2.1 H-K定理

2.2.2 Kohn-Sham方程

2.2.3交换关联泛函的确定

2.3 计算程序CASTEP简介

2.3.1 软件介绍

2.3.2计算流程

2.4 本章小结

3 石墨烯和掺杂石墨烯第一性原理计算

3.1 本征石墨烯第一性原理计算

3.1.1 本征石墨烯模型建立与参数选取

3.1.2本征石墨烯电子结构

3.2 硼氮原子掺杂石墨烯第一性原理计算

3.2.1 硼原子掺杂石墨烯电子结构

3.2.2 氮原子掺杂石墨烯电子结构

3.3 硼氮双原子共同掺杂石墨烯的第一性原理计算

3.3.1硼氮原子邻位掺杂石墨烯电子结构

3.3.2 硼氮原子间位掺杂石墨烯电子结构

3.3.3 硼氮原子对位掺杂石墨烯电子结构

3.3.4 硼氮双原子共掺杂石墨烯光学性质

3.4 本章小结

4 扶手椅型石墨烯纳米带的第一性原理计算

4.1 扶手椅型石墨烯纳米带

4.1.1 扶手椅型石墨烯纳米带模型建立与参数选取

4.1.2 扶手椅型石墨烯纳米带电子结构

4.1.3扶手椅型石墨烯纳米带光学性质

4.2 掺杂硼原子扶手椅型石墨烯纳米带第一性原理计算

4.2.1不同掺杂位置硼原子的石墨烯纳米带形成能

4.2.2 边缘掺杂硼原子的石墨烯纳米带电子结构

4.2.3 边缘掺杂硼原子的石墨烯纳米带光学性质

4.3 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

硕士期间的研究成果