锯齿型石墨烯纳米带的第一原理研究.docx

锯齿型石墨烯纳米带的第一原理研究.docx不同宽度锯齿型石墨烯纳米带的第一原理研究摘要:本文采用第一原理密度泛函理论,研究了不同宽度边缘饱和(氢原子)一维石墨片纳米带的电学性质。研究表明:对于所有宽度锯齿型纳米带,其几何结构和电子结构与碳纳米带的宽度密切相关。这为揭示纳米带尺寸效应提供了一条切实可行的道路。关键词:密度泛函理论; 石墨烯纳米带; 电子结构一引言自2004年英国曼彻斯特大学的Geim等人成功制备出石墨烯以來。人们才获得了真止意义上的二维形式的碳(graphene),石墨烯的研究热潮曲此宣告开始,成为目前材料研究领域最前沿课题之」石墨烯是指虹层碳原子密堆排列成二维(2D)止六边形蜂窝状点阵所形成的材料,它是构成石墨的基本单元。GNR在微电子器件的实际制造过程中更具有使用价值和研究意义。英国Geim小组制作成山GNR组成的电路系统,发现GNR显示出很强的双极电场效应;日本Tnda和Watanabe采用含时密度泛函计算了GNR的场发射,发现场发射电流的主要贡献來自于淸洁的GNR边缘悬挂键。清华大学的Huang等人⑺就通过在锯齿型石墨烯纳米带边界掺杂N或B原子的研究,发现通过在锯齿型石墨烯纳米带边界进行有选择的掺杂,可以构建出包含从金属到半导体再到金属转变同质结的场效应品体管。虽然从严格意义上来讲,石墨烯应该是二维无限大的,但在具体应用中材料尺寸是有限大小的。当石墨烯的尺寸被裁剪至\00nm以下时,山于限域效应,石墨烯将呈现半导体性。因此,石墨烯的剪裁产物(如:石墨烯纳米带)及其他变体在微电子技术与器件等领域将更具有实际意义〔8⑼。本文利用第一原理密度泛函理论,研究了氢原子饱和下不同宽度锯齿型GNRs的儿何结构和电子结构,探讨了宽度对氢饱和锯齿型石墨烯纳米带几何结构和电子结构的影响。二理论方法本文采用第一原理密度泛函软件DMOL3,首先建立两种碳纳米尖锥结构,对模型进行儿何优化,得到稳定的儿何构型。结构优化过程中,采用局域密度近似(LDA),以确定能量最低的儿何构型。在此基础上,采用广义梯度近似(GGA)方法处理电子之间相互作用进行电学性质的理论研究,其具体的修止交换关联势为Perdew-Burke-Enizerhof1,UJ0文中选用的基函数为双数值基SI(DNP),(d)图1不同宽度氢原子饱和锯齿型石墨烯纳米带上图是不同宽度锯齿型石墨烯纳米带结构图。图中白色小球代表氢原子,灰色小球代表碳原子)。图中标号1、1'分别为边缘C-C键长,2、3、4为不同位置的中间C-C键长。X代表纳米带宽度宽度方向,Y为周期性结构方向。采用边缘碳原子个数N标记纳米带的宽度,上述五种结构对应宽度分别为N=4,6,8,10=山于未饱和石墨烯纳米带边缘具有悬挂键,其结构不稳定,所以我们对所研究的纳米带均采用氢原子进行了边缘饱和。首先,対不同宽度的石墨烯纳米带进行了几何优化,以获得最稳定结构。,我们能够很明显地看出优化前后的结构发生了一些变化,如C-CZ间的键长和键角都发生了变化。通过使用软件屮测量距离和角度的工具,我们对几何优化前后的结构进行了距离和角度的测量,对于优化前的模型,山于石墨烯是规则的六边形,对于宽度是4、6、8、10个原子宽度纳米带的C・,任意两个原子夹角(键角)均为120度。对于优化后的结果,我们选择石墨带上端的原子进行说