过渡金属—石墨烯纳米带体系的磁性与电子结构研究

摘要

吸附过渡金属的石墨烯或石墨烯纳米带具有丰富的磁性和电子结构，因此它们吸引了很多的研究兴趣。碳基底上吸附的过渡金属原子层的磁性可以为将来的自旋电子器件提供潜在的材料应用，因此研究者们极为重视这类体系。本文主要通过自旋极化的密度泛函计算来研究被3d过渡金属覆盖的n=6，8，10扶手椅型石墨烯纳米带和被Co，Ni覆盖的n=6，8，10锯齿型石墨烯纳米带的几何构型、电子结构与磁性，发现石墨烯纳米带的准一维性将影响吸附过渡金属原子的磁性，产生与二维石墨烯体系上吸附金属原子不同的性质。同时纳米带的边界形状——扶手椅型或锯齿形将对过渡金属原子吸附时的排列方式和磁性产生影响。本文主要研究结果如下:
　　1、在3d过渡金属-扶手椅型石墨烯纳米带体系里，吸附过渡金属面后，大部分扶手椅型石墨烯纳米带发生弯曲，金属面大多不平整，由于石墨烯纳米带的准一维特性，金属往往形成异于晶体结构的拓扑结构。随着纳米带宽度增加，过渡金属-扶手椅型石墨烯纳米带体系趋向于金属性。过渡金属-扶手椅型石墨烯纳米带体系具有不同的磁性，反铁磁性的金属排序与铁磁性的排序不同。石墨烯纳米带的准一维特性也影响了吸附金属层的磁性。Cr和Fe在扶手椅型石墨烯纳米带上会形成四面体立体团簇结构，团聚的趋势比其他3d过渡金属明显。
　　2、在Co，Ni锯齿型石墨烯纳米带体系里，吸附过渡金属面后，Co-锯齿型石墨烯纳米带和Ni-锯齿型石墨烯纳米带体系里的锯齿形石墨烯纳米带也发生弯曲，金属面大多不平整，且在n=8，10的体系里有四面体立体团簇结构产生。吸附过渡金属后，锯齿形石墨烯纳米带的氢原子的磁矩与两个边界的磁耦合情况受到金属原子磁矩的干扰，与初始磁矩和磁耦合情况有异。所有的Co-锯齿型石墨烯纳米带和Ni-锯齿型石墨烯纳米带体系都是金属性的。过渡金属-锯齿形石墨烯纳米带体系随着纳米带宽度的变化，金属的排列方式不同，从而也产生不同的磁性。
　　3、我们将Co，Ni-扶手椅型石墨烯纳米带体系与Co，Ni-锯齿形石墨烯纳米带体系进行了比较，发现纳米带的边界形状与对称性情况会影响吸附在纳米带表面的金属层面的拓扑结构。在锯齿形石墨烯纳米带上，Co、Ni原子倾向于团聚成立体团簇，而在扶手椅型石墨烯纳米带上，Co、Ni原子倾向于均匀分布在纳米带平面上。同一过渡金属原子吸附在不同类型的石墨烯纳米带上，将产生不同的电子结构。石墨烯纳米带本身的电子结构和过渡金属与石墨烯纳米带的杂化情况都会影响3d过渡金属-石墨烯纳米带体系的导电性。同一过渡金属原子吸附在不同类型的石墨烯纳米带上，原子的排列情况不同，从而也导致不同的磁性。这种由于金属层拓扑形状不同而导致的磁性差异实际上也是由扶手椅型与锯齿形石墨烯纳米带的边界形状和对称性的差异引起的。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 石墨烯简介

1．2 石墨烯纳米带的物理性质

1．3 石墨烯、石墨烯纳米带相关研究背景

1．3．1 官能团修饰的石墨烯的密度泛函计算研究

1．3．2 金属在石墨烯表面的吸附研究

1．3．3 石墨烯纳米带与金属在石墨烯纳米带表面的吸附研究

1．4 论文研究背景

参考文献

第二章 理论基础与计算软件

2．1 密度泛函理论(DFT-density function theory)

2．1．1 密度泛函理论

2．1．2 Hohenberg-Kohn定理

2．1．3 Kohn-Sham方程

2．1．4 局域密度近似(LDA)

2．1．5 广义梯度近似(GGA)

2．2 VASP软件介绍

参考文献

第三章 3d过渡金属-扶手椅型石墨烯纳米带体系的磁性与电子结构研究

3．1 计算方法

3．2 计算结果与讨论

3．2．1 扶手椅型石墨烯纳米带的几何构型、电子结构与磁性

3．2．2 优化后的TM-AGNR几何构型、电子结构与磁性

3．3 单原子结合能

3．4 小结

参考文献

第四章 Co，Ni-锯齿型石墨烯纳米带体系的磁性与电子结构研究

4．1 计算方法

4．2 计算结果与讨论

4．2．1 锯齿型石墨烯纳米带的几何构型、电子结构与磁性

4．2．2 优化后的Co，Ni-ZGNR几何构型、电子结构与磁性

4．3 单原子结合能

4．4 小结

4．5 Co，Ni-扶手椅型石墨烯纳米带体系与Co，Ni-锯齿形石墨烯纳米带体系的比较

参考文献

第五章 总结与展望

硕士期间发表的论文

致谢