掺杂石墨烯纳米带的电子结构和光学性能

论文摘要

碳纳米材料由于其特殊的几何结构具有各种引人注目的性能。其中石墨烯纳米带是纳米量级的单层石墨烯条带，近年来关于石墨烯纳米带的研究是实验和理论研究的焦点之一。因为准一维的石墨烯纳米带的良好的电子学性能，石墨烯纳米带被认为是制造下一代电子器件的理想材料。本文采用基于密度泛涵理论的第一性原理，对含有硼氮原子的取代掺杂、空位和掺杂复合缺陷的石墨烯纳米带的电子结构和光学性能进行了系统的研究，获得了一些有意义的结论，这对于基于石墨烯纳米带的光电器件的实际制备和开发具有重要的指导意义。对硼原子和氮原子取代掺杂的锯齿型石墨烯纳米带的电子结构和光学性能进行了研究。由于硼原子或氮原子的加入并没能改变石墨烯纳米带的金属性。两种原子取代掺杂最稳定的的结构都是掺杂位置在石墨烯纳米带边缘处。氮原子和硼原子掺杂石墨烯纳米带的能带结构与碳纳米管的是不相同的。因为对于氮掺杂的碳纳米管，在它的导带低附近有一个很明显的掺杂带然而对于氮原子和硼原子掺杂锯齿型石墨烯纳米带，施主能级并不是掺杂能级。氮原子掺杂的石墨烯纳米带的施主能级是来自于导带底部的子能带β，而掺杂带是子能带α，而硼原子掺杂的石墨烯纳米带的施主能级来自价带顶部的子能带γ，掺杂能级来自子能带δ。氮原子和硼原子掺杂石墨烯纳米带能带的导带中出现了明显的掺杂子能带，这是由于导带中或价带中的子能带间发生了复杂的杂化。掺杂了硼原子和氮原子的石墨烯纳米带的电荷密度重新分，而且石墨烯纳米带吸收光谱和反射光谱中都出现了一个明显的杂质吸收峰或反射峰。本文还研究了复合缺陷石墨烯纳米带的电子结构和光学性能。计算发现单个空位的引入使得石墨烯纳米带的几何结构发生了很大的变化，有两个最边缘的碳原子脱离了原来的二维平面。复合缺陷使得石墨烯纳米带的电子结构发生了很大的变化，同时石墨烯纳米带的电荷密度在缺陷处有较大的变化，远离缺陷的地方没有显著的变化。复合缺陷特别是空位和硼氮共掺结构时，在低能区出现了一条杂质吸收峰。利用掺杂来调制石墨烯纳米带的性能是一个很有应用价值的方法，因此进一步深入和广泛研究石墨烯纳米带的掺杂性能及器件的研制是非常重要的课题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 石墨烯的结构
• 1.3 石墨烯的制备
• 1.3.1 机械剥离法
• 1.3.2 化学气相沉积法
• 1.3.3 氧化-还原法
• 1.3.4 溶剂热法
• 1.4 石墨烯的表征
• 1.5 石墨烯的性质
• 1.6 墨烯的应用前景
• 1.6.1 储氢材料
• 1.6.2 纳米电子器件
• 1.6.3 超级电容器
• 1.6.4 传感器
• 1.7 本文的工作和目的
• 第2章 基于密度泛函理论的第一性原理和计算软件介绍
• 2.1 引言
• 2.2 多体系电子结构
• 2.3 密度泛涵理论
• 2.3.1 玻恩-奥本海默近似
• 2.3.2 哈特利-福克近似
• 2.3.3 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.3.4 Kohn-Sham 方程
• 2.3.5 局域密度近似
• 2.3.6 广义梯度近似
• 2.4 赝势近似
• 2.5 材料中光学性质的计算原理
• 2.6 软件介绍
• 2.7 本章小结
• 第3章 硼氮取代掺杂 zigzag 型石墨烯纳米带的电子结构和光学性能
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型和方法
• 3.3 计算结果与讨论
• 3.3.1 N 掺杂对 5-zigzag 型石墨烯纳米带电子结构和光学性能的影响
• 3.3.2 B 掺杂对 5-zigzag 型石墨烯纳米带电子结构和光学性能的影响
• 3.4 本章小节
• 第4章 复合缺陷石墨烯纳米带的电子结构和光学性能
• 4.1 引言
• 4.2 氮掺杂复合缺陷石墨纳米带的电子结构和光学性能
• 4.2.1 计算模型和方法
• 4.2.2 计算结果与讨论
• 4.3 硼氮共掺复合缺陷石墨纳米带的电子结构和光学性能
• 4.3.1 计算模型和方法
• 4.3.2 计算结果和讨论
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间发表学术论文目录
• 致谢