化學修飾石墨烯材料的場發(fā)射性質研究.pdf

1、納米科技的提出和發(fā)展革新了傳統的材料加工制作方式，它試圖通過在微觀世界中納米尺度內的加工操作來改進器件的性能，被認為是21世紀頭等重要的科學技術。隨著納米技術的迅速發(fā)展，一系列新興學科產生，不同領域的廣大的納米科研人才努力于解決納米科技在不同方向具有挑戰(zhàn)性的問題，極大推進了它的實際應用。納米材料器件作為納米科技的基礎是研究的一個熱點，其中一方面便涉及到電子場發(fā)射陰極材料的制作。作為新型場發(fā)射陰極，納米材料憑借自身結構及性質上的優(yōu)勢被寄予

2、厚望。只有深入了解納米材料的場發(fā)射的微觀機制，人們在改進場發(fā)射器件性能時才能把握好方向，以減少資源和時間上的浪費。人們不僅希望得到強度大且穩(wěn)定的場發(fā)射電流，而且也探索通過一些有磁性的納米結構材料得到高自旋極化率的場發(fā)射電流。另一方面，密度泛函理論被廣泛應用在固體物理和量子化學等學科中，尤其在納米材料的電子結構性質的研究方面顯示出極大的優(yōu)勢。本文通過基于密度泛函理論的理論模擬研究了對石墨烯納米條帶和石墨烯表面采用不同官能團作化學修飾后其場

3、發(fā)射性能的變化情況，涉及到非極化和自旋極化的場發(fā)射性質研究，并借助第一性原理在保證計算的準確的基礎上簡化了計算的流程。
　　第一章分為有關場發(fā)射的基本理論介紹、文章中使用的波函數匹配及第一性原理相結合的場發(fā)射電流計算方法、場發(fā)射的研究進展（包括石墨烯、石墨烯條帶和碳納米管）、密度泛函理論基礎四個方面。場發(fā)射是電子場發(fā)射的簡稱，又稱為冷陰極電子發(fā)射，一般是借助于外界施加的強電場降低材料表面的勢壘的限制從而提高電子隧穿至真空的概率，宏

4、觀上得到可測的電流。文中對場發(fā)射的具體過程和發(fā)展狀況給出了較詳細的介紹，納米材料的場發(fā)射電流計算有其自身的特殊性，文中對相關問題作出了討論。在文中給出了我們采用的計算方法詳細的理論推導步驟，因其中采用傳統的波函數匹配方法和第一性原理結合，所以對密度泛函理論的基礎知識也給出了介紹。我們研究的納米材料主要為化學修飾的石墨烯材料，因而文中對石墨烯、石墨烯納米條帶和碳納米管都有基本知識的講解，使人們對它們在場發(fā)射領域的應用有清晰的認識。

5、　　第二章前面部分給出了邊界修飾有C-O-C醚基的鋸齒形石墨烯納米條帶(包括邊界有連續(xù)的醚基和50％覆蓋度的醚基兩種例子，分別簡稱ZGNR-CE和ZGNR-AE)的電子場發(fā)射特性的計算結果。該體系在實驗上已經被制備和研究。場發(fā)射電流計算用到的即為第一章中有詳細描述的波函數匹配方法。模擬結果顯示兩種納米條帶的場發(fā)射主要由布里淵區(qū)中心且靠近費米面的電子態(tài)所決定。因為具有較低的功函數，ZGNR-CE條帶能產生比未修飾的重構鋸齒形石墨烯納米條帶

6、強很多的場發(fā)射電流;而ZGNR-AE的電流值雖然小，但也具備其它優(yōu)勢，即能夠得到屬于高自旋極化的電流。我們也發(fā)現在較低的外電場下，單軸方向的外加應變能有效調控它們的場發(fā)射電流，但ZGNR-AE條帶的高自旋極化在這種情況下保持不變。通過分析這些條帶的功函數、能帶結構以及結合邊界電偶極模型，我們揭示了這些現象的相關機制。在第二章的后面部分，我們介紹了N-H亞氨基修飾邊界的鋸齒形石墨烯納米條帶（簡稱ZGNR-NH）的場發(fā)射性能的計算情況。ZG

7、NR-NH的原子不在同一平面上，體系的功函數極低，能帶結構上有平帶一直延伸至費米能級處的Γ點處。ZGNR-NH發(fā)射的場發(fā)射電流強度超強，這得益于它較強的邊界電偶極矩，其場發(fā)射性能超過了醚基官能團修飾的納米條帶。
　　第三章介紹了對于氫和氟修飾的雙層石墨烯表面的場發(fā)射特性的研究。雙層石墨烯表面的Γ電子態(tài)遠離費米面，使得其場發(fā)射性能較低。當用氫雙面修飾時，所產生的雙層石墨烷功函數略微降低，但更重要的是使得費米面附近的占據電子態(tài)主要分布