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烟台大学
硕士学位论文
石墨烯和新型二维纳米材料的特性研究
姓名:史伟明
申请学位级别:硕士
专业:理科;凝聚态物理
指导教师:姜明
2011-04
摘要
石墨烯等新型二维材料是当今国际前沿研究的重要课题。石墨烯纳米结构具有二维和纳米
尺度特性,探索二维纳米材料的新奇特性成为研究热点。
本论文简要论述了石墨烯的发现和奇异性质以及石墨烯和单层 BN 材料的研究现状,详细地
阐述了密度泛函理论以及电子结构计算方法-离散变分方法和 ADF。采用第一性原理计算方法,
我们系统研究了吸附氢、氧原子对锯齿型纳米石墨烯和单层 BN 片的几何和电子态性质以及磁学
特性的影响,深入考察了吸附原子构型,锯齿边界,褶皱结构和电子态以及磁学特性间的关系。
我们的计算结果表明,具有 C2h 对称的纯净锯齿石墨烯纳米片(Zizag Graphene
Nanoflake,ZGNF)基态总磁矩为 µB,比无对称性约束的零磁矩纯净 ZGNF 能量高 。两者
均保持严格的平整面,自旋极化主要来自锯齿边界。
在中央区吸附 3,5 和 7 个氢原子后,ZGNF 的基态总磁矩分别增大至 µB,µB和 µB。
氢原子吸附处的碳原子形成 SP3键,诱发了皱褶结构,最大凸起和凹陷幅度分别( Å,-
Å),( Å,- Å)和( Å,- Å)。π键的打破和弱化显著增大了中央区碳原子的自
旋极化。由于悬挂键效应,锯齿边界仍具有最大的沟道磁矩。相邻 A,B 位沟道间呈亚铁磁性耦
合作用。
在中央区吸附 3 和 5 个氧原子后, ZGNF 的基态总磁矩分别为 µB和 µB。二价氧原子
的成键特性导致中央吸附区的 C 原子的自旋极化很小。而它们的锯齿边界最外沿 A,B 沟道具有
最大的沟道磁:(-µB,µB),(µB,-µB)。
最后我们研究了具有 3 个吸附氢原子的单层 BN 纳米片的结构特性。它的的皱褶结构与石墨
烯纳米片迥然不同。石墨烯纳米片的皱褶大多呈左右对称形状,而在单层 BN 纳米片中各原子沟
道的高度起伏几乎都失去了左右对称性。铁磁性锯齿边界最外沿的 N,B 沟道磁矩分别为-µB
和 µB,中央区的 B,N 原子基本上无自旋极化,整个纳米片的总磁矩为 µB。
我们的研究结果为调控二维纳米材料特性提供了新途径。


关键词:纳米石墨烯和 BN 片原子吸附电子结构磁性调控密度泛函


I
Abstract
The study of graphene and other two-dimensional materials, is an important issue at the recent
research frontiers. Graphene nanosructures have 2D and nanoscale characteristics, and it es the hot
topic to explore the novel properties of the 2D nanomaterials.
In this thesis the discovery of graphene and unusual properties are briefly reviewed. A detailed
introduction to density functional theory, electronic structure calculation methods-Discrete Variational
method and ADF is given. Using first-principles calculations, we have studied the geometric and
electronic properties of zigzag graphene nanoflake(ZGNF) before and after hydrogen and oxygen
adsorption. The interplay between atomic adsorption, crumpling structures, zigzag edges and ic
structures has been investigated systematically.
Our calculated results show that the pure ZGNF with C2h