Si、Ge在掺杂石墨烯上吸附的第一性原理研究

论文摘要

自2004年首次制造出石墨烯以来,它独特的电子特性在微电子领域和基础物理学中有着广泛的应用价值,石墨烯已经成为了备受瞩目的国际前沿和热点。本文基于密度泛函理论(DFT)第一原理计算方法,研究了空位缺陷和替位掺杂对石墨烯电子性质和磁性的影响及掺杂对Si或Ge在石墨烯上吸附的影响。我们用赝势(USPP)方法对石墨烯晶格结构进行优化,得到了晶格常数a=2.468 ?,这与实验值2.46 ?符合的很好。本文所有计算都采用此优化得到的晶格常数值。在此基础上研究了Si、Ge在石墨烯上吸附的形成能与覆盖度的关系,在低覆盖度(1/32ML到1/18ML)时,相应的形成能变化较小,高覆盖度(1/18ML到1/2ML)时,相应的形成能随着覆盖度的增加而增大,这是由于随着吸附原子Si或Ge之间距离的减小,原子之间的吸引作用增大,体系能量降低。研究了单空位缺陷和B掺杂对石墨烯电子性质的影响及单空位和B掺杂缺陷对Si在石墨烯上吸附的影响。通过计算缺陷的形成能得到,单空位缺陷结构不易形成, B掺杂石墨烯结构相对较稳定,其中B掺杂提高了石墨烯体系的导电性能。吸附Si后,Si原子在完整石墨烯上吸附的稳定位置为桥位, Si的吸附改变了石墨烯中C原子的电子自旋性质。空位缺陷和B掺杂均增强了Si在石墨烯上的吸附,与B掺杂相比,空位缺陷对Si在石墨烯上吸附的影响较大。另外Si在空位缺陷和B掺杂石墨烯上吸附,体系不显示磁性。研究了空位、B和N掺杂对Ge在石墨烯上吸附的影响。Ge原子在完整、B掺杂和N掺杂石墨烯上吸附的稳定位置为桥位。空位增强了Ge在石墨烯上的吸附,相比于其它三个体系,空位对Ge在石墨烯上吸附的影响最大。空位缺陷体系具有磁性,Ge吸附后此体系磁性消失。B和N掺杂石墨烯分别为p型掺杂和n型掺杂,这两种缺陷体系不具有磁性。B掺杂增强了Ge在石墨烯上的吸附,而N掺杂对Ge的吸附几乎没有影响。Ge吸附在B掺杂和N掺杂石墨烯后,体系均具有磁性,这主要是由Ge的p电子轨道引起的。比较和分析了Ge在Al、Si、P掺杂石墨烯上吸附(分别用AG、SG、PG表示)的影响。Al、Si和P掺杂石墨烯后衬底C原子位置发生了变化,且Si, P原子掺杂比Al掺杂石墨烯容易;Ge在不同掺杂体系的吸附位置不同,AG体系稳定吸附结构为Ge吸附在Al的正上方,SG体系和PG体系Ge原子分别吸附在最近邻碳原子偏顶位和顶位最稳定; Al、Si、P掺杂增强了Ge在石墨烯上的吸附,其中Al掺杂对Ge在石墨烯上吸附的影响最大,P掺杂次之,Si掺杂最小;Ge吸附AG体系和SG体系磁矩为零,不显示磁性,Ge吸附PG体系具有磁性。总之,通过本课题的研究,加深对石墨烯的性能、表面和半导体担载石墨烯电子结构的理解,进一步揭示石墨烯/半导体相互作用的物理机制,揭示各种缺陷对电子结构的影响。第IV主族元素Si和Ge作为微电子基础材料,它们与碳基材料相互作用的研究在制作电子传感器件方面有重要的意义。本课题的研究成果将来可以对新的电子器件的开发和应用有一定的指导和参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 石墨烯的基本结构
• 1.2 石墨烯的性质
• 1.3 石墨烯的制备方法
• 1.4 石墨烯的应用前景
• 第二章 理论基础和计算方法
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.1.2 Kohn-Kham 方程
• 2.1.3 局域密度近似（LDA）
• 2.1.4 广义梯度近似（GGA）
• 2.2 布洛赫定理和超原胞模型
• 2.2.1 布洛赫定理
• 2.2.2 平面波基矢
• 2.2.3 超原胞模型
• 2.3 赝势方法
• 2.3.1 超软赝势（USPP）
• 2.3.2 投影扩充波势（PAW）
• 2.4 VASP 程序包
• 2.5 模型和方法
• 第三章 空位和B 掺杂对Si 在石墨烯上吸附的影响
• 3.1 Si 在完整石墨烯上的吸附
• 3.2 Si 在空位缺陷石墨烯上的吸附
• 3.3 Si 在B 掺杂石墨烯上的吸附
• 3.4 Si 在N、P、Al 掺杂石墨烯上的吸附
• 3.5 本章小结
• 第四章 空位、B 和N 掺杂对Ge 在石墨烯上吸附的第一性原理研究
• 4.1 Ge 在完整石墨烯上的吸附
• 4.2 Ge 在空位缺陷石墨烯上的吸附
• 4.3 Ge 在B 掺杂石墨烯上的吸附
• 4.4 Ge 在N 掺杂石墨烯上的吸附
• 4.5 本章小结
• 第五章 Al、Si、P 掺杂对Ge 在石墨烯上吸附的影响
• 5.1 Ge 在石墨烯上的吸附
• 5.2 Ge 在替位掺杂石墨烯上的吸附
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的科研成果