含缺陷和摻雜石墨烯納米帶電子學和光學性能研究.pdf

1、最近幾十年以來,研究者們在硅基電子器件取得了巨大成就并被廣泛地應用到了計算機及其他應用領域中,在很多方面表明了電子器件的小型化是其發(fā)展的顯著特點。實際上,我們是通過硅基晶體管持續(xù)的小型化得到更高度集成、功耗更低和更快的電路?，F(xiàn)在,我們面對的挑戰(zhàn)是器件小型化方法將達到科學和技術的極限。當前急切需要去尋找和開發(fā)替代的設備技術。由于碳基納米材料,特別是準一維的石墨烯納米帶具有出色的電子學性能,因此,研究者認為石墨烯納米帶是制造下一代電子器件的

2、理想候選材料。隨著高性能計算能力的不斷提高和計算中算法的不斷改進,使得我們有可能利用基于第一性原理的計算模擬去了解材料中的電子結構并研究電子器件工程問題。尤為重要的是計算模擬已經成為理論上研究納米電子學的重要手段。
　　 本文利用基于密度泛函理論的第一性原理,對石墨納米帶的取代摻雜、拓撲缺陷、空位缺陷及其復合型缺陷對電子結構和光學性能的影響進行了系統(tǒng)的研究,此外我們還討論了有機分子吸附在石墨納米帶上,對其電子學性能的影響。研究結

3、果對基于石墨烯納米帶的電子器件的實際制備和開發(fā)具有重要意義。
　　 在石墨烯納米帶中引入Stone-Wales(SW)缺陷,研究發(fā)現(xiàn),對稱SW缺陷引起了垂直石墨烯納米帶平面方向局部范圍內的扭曲,而非對稱SW缺陷只是導致了石墨烯平面內的晶格扭曲。由于七元環(huán)具有負曲率而五元環(huán)具有正曲率,兩種SW缺陷的引入引起了石墨烯納米帶電荷的重新分布。引入SW缺陷后的石墨烯納米帶的吸收和反射譜也發(fā)生了明顯的紅移。含對稱SW缺陷的石墨烯納米帶的第一

4、吸收峰的峰值分別是理想和含非對稱SW缺陷的石墨烯納米帶第一吸收峰峰值的兩倍,且含對稱SW缺陷的石墨烯納米帶的第一反射峰的峰值比理想和含非對稱SW缺陷的石墨烯納米帶的第一反射峰的峰值大一個數(shù)量級,分析認為與含對稱SW缺陷石墨烯納米帶出現(xiàn)的折皺構型有關。計入自旋的計算結果表明,非對稱SW缺陷影響了不同自旋方向的態(tài)密度分布,在相同能量處出現(xiàn)了非對稱分布,分析認為是非對稱SW缺陷的引入破壞了石墨烯納米帶的對稱性。
　　 本文系統(tǒng)地模擬了

5、石墨烯納米帶中雜質原子和空位或者SW缺陷共存的復合情況。對于硼(氮)空位復合缺陷位于邊緣的鋸齒型石墨烯納米帶,這些復合缺陷很明顯地改變了石墨烯納米帶的電子學和光學性能。根據對這些復合結構的能帶分析可得,復合缺陷的存在沒有改變石墨烯納米帶的金屬特性。研究硼空位復合缺陷位于石墨烯納米帶邊緣上的結構發(fā)現(xiàn),第一吸收峰與只含有空位的石墨烯納米帶結構相比都出現(xiàn)了藍移現(xiàn)象。而對于一個氮原子摻雜在石墨烯納米帶邊緣的空位上的結構,摻雜氮原子位于邊緣的石墨

6、烯納米帶結構與只含有空位的石墨烯納米帶結構的第一吸收峰相比,發(fā)生了紅移現(xiàn)象,而其他的氮原子摻雜復合缺陷結構的第一吸收峰都發(fā)生了藍移現(xiàn)象。
　　 研究了硼(氮,硅)SW復合缺陷位于石墨烯納米帶上的結構發(fā)現(xiàn),硅原子摻雜在SW缺陷上的石墨烯納米帶幾何結構形變最大,分析認為與硅原子較大的原子半徑有關。這些復合缺陷的出現(xiàn)對石墨烯納米帶的電子結構和光學性能產生了影響。對于鄰近石墨烯納米帶邊緣的硼(氮)空位復合缺陷結構對石墨烯納米帶的幾何結構

7、和能帶結構有較大影響。這為含復合缺陷石墨烯納米帶的輸運性能研究和器件設計提供了理論參考。
　　 研究了硼氮共摻雜的石墨烯納米帶發(fā)現(xiàn),其電子能帶結構伴隨著摻雜原子位置的變化而變化。研究結果表明在沒有外電場作用下,不同位置的硼氮共摻雜對應的石墨烯納米帶具有半導體性和半金屬性。不同寬度的鋸齒型石墨烯納米帶都具有這個特性。這為自旋電子器件的設計提供了理論參考。
　　 對于不同的石墨烯納米帶與三聚氰胺分子相互作用的結構,研究結果顯

8、示,三聚氰胺分子與有缺陷和沒有缺陷的石墨烯納米帶都有較強的吸附作用。與其他的石墨烯納米帶相比,三聚氰胺分子更趨向于吸附在硅摻雜的石墨烯納米帶平面上。硅摻雜石墨烯納米帶與三聚氰胺分子相互作用結構的能帶結構也與其他結構明顯不同,Mulliken電荷分析也得到比較一致的結果。
　　 本文最后討論了扶手椅型石墨烯納米帶中含空位、SW缺陷、摻雜和復合缺陷情況下的幾何結構和電子能帶結構的變化。結果顯示這些不同類型的缺陷和摻雜對扶手椅型石墨烯