缺陷对双层石墨烯电子结构与力学性能的影响

论文摘要

石墨烯（graphene）因其特殊的结构和性能,自2004年被成功制备以来,迅速成为凝聚态物理、材料、化学、信息和生物技术等学科领域的交叉研究热点。石墨烯具有体积微小、量子尺寸效应显著等特性,此外其独特的空间结构以及原子间强共价键结合等因素共同决定了它有着不同于一般二维物理体系的特性。由于石墨烯具有许多优异而独特的物理、化学和机械性能,因此,其在微纳米电子器件、光电子器件、自旋量子器件以及新型复合材料方面都有着广泛的应用前景。本文从第一性原理出发,以密度泛函理论（DFT）为基础,运用CASTEP软件计算了单空位缺陷和Stone-Wales缺陷对双层石墨烯结构的影响。首先构建了一个超原胞,对其进行结构优化和相关性质的计算,然后对比分析了完整双层石墨烯和带有缺陷的双层石墨烯的电子能带结构及其态密度,得出了不同缺陷对体系的影响:空位缺陷的引入使得体系呈现磁性,而Stone-Wales缺陷的引入给体系带来了微小的带隙,两者的共同之处是都引起了费米能级的下移,使体系呈金属性,结合碳原子的局域态密度图进一步分析了导致费米能级下移的原因。另外,本文采用分子动力学方法研究了双层石墨烯的力学性能,将完整双层石墨烯结构以及带有缺陷的双层石墨烯结构在不同温度下进行了力学性能的模拟计算,得到了不同温度下的力学参数,如弹性模量、弹性常数、体弹模量等,并对结果进行了进一步的对比和分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 碳元素的同素异形体
• 1.2 石墨烯
• 1.2.1 石墨烯的发现与制备
• 1.2.2 石墨烯的结构与性质
• 1.2.3 石墨烯的应用前景
• 1.3 石墨烯物理力学性能国内外研究现状
• 1.3.1 双层石墨烯电子结构的研究现状
• 1.3.2 石墨烯力学性能的研究现状
• 1.4 本文的研究目的和内容
• 第2章 基本理论与计算方法
• 2.1 第一性原理的基本概述
• 2.2 密度泛函理论（DFT）
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn 理论
• 2.2.2 Kohn-Sham 方程
• 2.2.3 交换关联泛函
• 2.2.4 赝势
• 2.3 分子模拟基本理论
• 2.3.1 分子动力学方法的概述
• 2.3.2 COMPASS 分子力场简述
• 2.3.3 分子动力学模拟计算流程
• 2.3.4 NVT 系综
• 第3章 缺陷对双层石墨烯电子结构的影响
• 3.1 引言
• 3.2 固体能带理论
• 3.3 理论模型与计算方法
• 3.4 计算结果与讨论
• 3.4.1 双层石墨烯优化后的结构和参数
• 3.4.2 双层石墨烯的电荷密度、能带以及态密度
• 第4章 完整的和带有缺陷的双层石墨烯的力学性能
• 4.1 计算的理论基础
• 4.1.1 各向异性材料弹性力学基本方程
• 4.1.2 各向同性材料弹性系数
• 4.1.3 静态力学分析步骤
• 4.2 计算方法与模型
• 4.3 计算结果与讨论
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间公开发表的论文