石墨烯纳米带能带结构和调制.pdf

摘要摘要由于其独特的物理、化学性质和广泛的应用前景,石墨烯自发现以来就迅速受到全世界科研工作者的关注。目前,如何实现其电学特性的有效调控成为石墨烯应用研究过程中的主要瓶颈。我们前期的实验已经实现金、铂等金属原子的掺杂,本文拟借助计算机模拟的方法,研究金属掺杂对石墨烯纳米带能带结构的影响,探索实现能带调制的有效方法,为进一步的实验研究提供理论指导。本文采用MaterialsStudio软件中DMol3密度泛函模块,首先对未掺杂的石墨烯纳米带进行计算。结果表明:扶手椅型石墨烯纳米带(AGNR)是半导体性的,其带隙值随宽度的变化关系可以分成三组,并且均随宽度增加呈下降趋势;而锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)中存在磁性,它的两种磁化态——铁磁(FM)态和反铁磁(AFM)态的能量非常接近,并且前者表现金属性而后者为半导体性。之后我们重点分析了两种金属原子——金原子和铂原子在石墨烯纳米带中的掺杂效应,主要结论如下:(1).金原子在AGNR的边缘掺杂,宽度Na=3p和3p+l(p是一个正整数)的纳米带转变为金属性,而Na=3p+2的纳米带则表现P型掺杂的半导体特性;铂原子掺杂时,只在Na=3p或3p+l的几个极窄宽度下,纳米带表现P型掺杂半导体特性,其余情况下纳米带都维持半导体特性,其带隙值与宽度的变化关系同样可用三簇曲线表示,不过宽度较大时简并成两条曲线。(2).金属原子在ZGNR中的掺杂抑制其所在边缘的自旋极化,相应地也改变其能带特性。掺杂率的不同导致不同的调制效应,%掺杂率情况下表现半金属特性,而铂掺杂ZGNR则在25%(且纳米带宽度大于22A)%掺杂率时表现半金属特性。本文的计算结果为后续的石墨烯纳米带中的掺杂实验提供指导,并为研制新的纳米电子器件和自旋器件等提供了可能途径和设计思路。关键词。扶手椅型石墨烯纳米带、锯齿型石墨烯纳米带、掺杂效应、双空位、,weinvestigatetheeffectsofmetalatomsonthebandgapsofgraphenenanoribbons(GNRs)putersimulationmethodstoexploreeffectivewaysforband—gapcontrol,(AGNRs)Canbeseparatedintothreecategorieswhichallshowdownwardtrendswithincreasingribbons’(ZGNRs)icstates·-··ic(FM)stateandanti-ic(AFM),ZGNRsinFMstateshowmetallic,,wefocusonthedopingeffectsoftwokindsofmetalatoms~:(1)Gold—dopedAGNRs晰tllwidthindex(Na)equalto3por3p+10isapositiveinteger