Graphene电子结构应变效应的第一性原理研究

论文摘要

本文采用紧束缚方法和基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了单原子层graphene在不同应变状态下的电子结构,主要分析了三种典型应变下的情况:对称应变,锯齿方向单轴应变,扶手方向单轴应变,并得到如下主要的结论:1)在对graphene体系外加对称应变的情况下,态密度伪带隙宽度随应变的增大线性减小。而对于体系的能带带隙,当外加应变小于30.1%时,带隙宽度始终保持不变,体系为0带隙的半金属;当外加应变超过30.1%时,体系的能带发生了较大的形变,能级在费米能级处出现了交叠,态密度开始大于0,体系显现为金属性。2)在沿锯齿方向的单向拉伸过程中,graphene体系的能带带隙出现了变化,不再保持为0。带隙宽度随应变的增大出现了振荡现象,即体系的带隙宽度随应变的增大从零开始经过三次先增大后减小的波动,当应变增大到29.2%时,带隙重新变为0,进一步增大应变时,体系表现为金属性。同时还发现,体系的结构随应变的增大由简单斜方相向简单长方相转变。当应变处于38.9%至68.1%范围内时,体系存在两种相结构;当应变大于68.1%时,体系只存在简单长方相,即由相互作用的线性C单链组成的结构。继续增大应变,单链之间的距离逐渐增大,而相互作用逐渐减小,最终体系发展为纵向孤立的C单链。3)在沿扶手方向的单向拉伸过程中,graphene体系的能带带隙随拉伸同样出现了振荡现象,经过两次先增大后减小的波动,当应变增大到26.2%时,带隙消失,体系由半金属经由半导体转化为金属。在整个应变范围内,体系没有出现新的相结构,并在大应变之下最终发展为横向孤立的C单链。4)研究了graphene体系的泊松比,结果显示,当应变小于1.5%时,沿锯齿方向与沿扶手方向的泊松比相等,为0.1732;进一步增大应变,两者的泊松比不相等,沿锯齿方向的泊松比略大于沿扶手方向的泊松比,这说明,graphene体系在小应变下表现为各向同性,而在较大应变下表现为各向异性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 Graphene 的发现
• 1.2 Graphene 的实验制备
• 1.3 Graphene 的主要性质
• 1.3.1 Graphene 的电子结构
• 1.3.2 Graphene 的输运性质
• 1.3.3 Graphene 的力学性质
• 1.4 Graphene 的应用前景
• 1.5 本文的研究内容、目的及意义
• 第2章 理论基础和计算方法概述
• 2.1 密度泛函理论
• 2.2 波函数的处理
• 2.2.1 平面波基矢
• 2.2.2 赝势方法
• 2.3 结构处理
• 2.4 VASP 软件简介
• 2.5 紧束缚近似方法
• 第3章 对称应变对graphene 电子结构的调制效应
• 3.1 计算方法与模型
• 3.2 无应变下graphene 的电子结构
• 3.2.1 VASP 计算结果
• 3.2.2 紧束缚单π轨道近似计算结果
• 3.3 计算结果及分析
• 3.3.1 VASP 计算结果
• 3.3.2 TB 计算结果
• 3.4 小结
• 第4章 锯齿方向单轴应变对graphene 电子结构的调制效应
• 4.1 计算方法与模型
• 4.2 小应变情况
• 4.2.1 VASP 计算结果
• 4.2.2 TB 计算结果
• 4.3 双态情况
• 4.4 大应变情况
• 4.5 小结
• 第5章 扶手方向单轴应变对graphene 电子结构的调制效应
• 5.1 计算方法与模型
• 5.2 小应变情况
• 5.2.1 VASP 计算结果
• 5.2.2 TB 计算结果
• 5.2.3 泊松比
• 5.3 大应变情况
• 5.4 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介
• 攻读硕士学位期间完成的学术论文