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1、曹夢瑤石墨烯晌電子性質(zhì)和磁性質(zhì)調(diào)節(jié)機制的理論研究摘要石墨烯是由單層碳原子通過sp2雜化形成的六角蜂窩狀二維材料,其優(yōu)良的物理和化學性質(zhì)引起人們的廣泛關(guān)注。然而,要想實現(xiàn)石墨烯在電子學和自旋電子學的廣泛應用亟待解決兩個關(guān)鍵問題:一個大的開關(guān)比的帶隙和磁矩,因此,合理調(diào)節(jié)石墨烯的電子性質(zhì)和磁特性是實現(xiàn)其器件化的關(guān)鍵一步。本工作中系統(tǒng)的研究了半三明治有機配體(OL)過渡金屬(TM)官能化的單層石墨烯(sLG)結(jié)構(gòu)的電子性質(zhì)和磁特性。研究發(fā)現(xiàn)多
2、數(shù)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中的金屬原子穩(wěn)定在石墨烯六邊環(huán)的hollow位置,少數(shù)結(jié)構(gòu)金屬原子傾向于吸附在top位置。所有半三明治OLTMn。和【TMC4H2]。/[TMC6H2]。與石墨烯共價結(jié)合且具有高化學穩(wěn)定性,另外,多數(shù)OLTM。@SLG是鐵磁性的,其中Cr3Alat@G77磁矩最大,為296pB。相反的,F(xiàn)e2Np@G77和Fe3Ant@G77表現(xiàn)為亞鐵磁性而Ti3Ant@G77是反鐵磁。除此之外,我們還發(fā)現(xiàn)了豐富的電子性質(zhì)。所有的TMBz@G
3、33和TMBz@G66都為半導體性,尤其是CrBz@G33和MnBz@G33帶隙非常大(1ev)。不同的是,TM2Np@G77和TM3Ant@G77的帶隙隨著金屬原子濃度的增加大大減少。另外,在一維無限分子線官能化石墨烯結(jié)構(gòu)[TMC4H2]。@G和[TMC6H2]。。@G中我們發(fā)現(xiàn)了豐富的磁性。其中,[MnC4H2]。@G和[FeC6H2]。@G每單元的磁矩高達236郵和443鄴。大多數(shù)的一維分子線吸附在石墨烯上是金屬性的,不同的是,[
4、]VInC4H2]。@G是半導體的,其帶隙為O20eV。利用第一性原理計算,我們系統(tǒng)地研究了半三明治有機配體過渡金屬(FeCp)基團官能化的單層石墨烯結(jié)構(gòu),(FeCp)。@SLGs,(n=l,2)的電子性質(zhì)和磁特性。我們考慮丫不同的吸附位置以及不同的吸附密度。計算結(jié)果表明,F(xiàn)eCp基團可以和石墨烯共價結(jié)合且具有很高的化學穩(wěn)定性。除了FeCp@G44,F(xiàn)eCp2/3@044D5,F(xiàn)e2Cp2@G44B2一D5沒有磁性,其它fFeCp)。@
5、SLGs都是鐵磁性的,其中,F(xiàn)e2Cp2@Q33D1,F(xiàn)ezCp2@G33一D2和Fe2Cp2@G33一D3的磁矩分別為2oo№,143№與126岫。此外,對于3x3的石墨烯超胞,所有(FeCp)。@G33s結(jié)構(gòu)均為半導體材料,F(xiàn)eCp@G33,F(xiàn)ezCp2@G33一D1,F(xiàn)e2Cp2@G33一D2,F(xiàn)ezCp2@G33D3的能隙值分別為103eV,O55eV,O14eV,113eV;而對于4x4的石墨烯超胞,除了FezCp2@G44B
6、zD5是半導體,能隙為O36eV,其它均為金屬材料。。;有趣的是,F(xiàn)e2Cp2@G44一s1、Fe2Cp2@,G44$2、FezCp2@G44D3和FezCp2@G44一D5,F(xiàn)e2Cp2@,G44B2一D5等五種結(jié)構(gòu)的帶隙在狄拉克點被打開,帶隙值為016eV0。09eV012eVO25eV,036eV。研究還發(fā)現(xiàn),將Fe元素替換成Ni元素,磁矩值大大增加,其中,Ni2Cp2@G44S1,Ni2Cpz@G44一D5,CozCp2@G44
7、一Sl和C02Cp2@G44一D1的磁矩高達2oo№,2OO№,348№曹夢瑤石墨烯的電子性質(zhì)和磁性質(zhì)調(diào)節(jié)機制的理論刪AbstractGraphene,thesinglelayerhexagonalcarbonnetworkofcarbonatomswithsp2hybridization,hasattractedgreatattentionduetoitsexceptionalphysicalandchemicalproperties
8、,However,twocrucialissueregardingtheapplicationinelectronicsandspintronics,abandgapwithbigon/offratioandmagneticmoment,hasbecometheheatsubjectoftheoreticalandexperimentalresearchers,SOtuningtheelectronicandmagneticproper
9、tiesofgrapheneisthekeysteptoimproveitsperformanceUsingfirstprinciplescalculations,wesystematicallyinvestigatedthestructural,electronicandmagneticpropertiesofhalfsandwichedorgano—ligand(OL)一transitionmetal(TM)functionaliz
10、edsingle—layergraphene(SLG)withdifferentarrangementpatternsMoststablestructureshavetheTMatomssittingonthehollowsiteofhexagonsofgraphene,fewstructuresarefavoredtohaveTMatomsontopsitesOnonehand,allthehalfsandwichedOLTMnand
11、【TMC4H2]。。/[TMC6H2]mligandsCancovalen@bondedwithgraphenewithhighchemicalstabilityOntheotherhand,mostOLTM”@SLGareferromagneticwiththelargestmagneticmomentof296帥forCr3Ant@Q77Incontrast,ferri—ferromagneticpropertiesarefound
12、forFe2Np@G77andFe3Ant@GT7andantiferromagneticpropertiesarefoundforTi3Ant@G77Besides,varieselectronicpropertiesarefoundAlltheTMBz@G33andTMBz@G33aresemiconductors,particularly,thebandgapsofCrBz@G33andMnBz@G33areratherlarge
13、(leV)Differently,thebandgapsofTM2Np@G77andTM3Ant@G77,whichbandgapsarelargelyreducedduetotheincreaseofcoverageconcentrationsofTMatomsMoreover,robustmagneticpropertiesarefoundfortheonedimensionalinfinitemoleculewiresfuncti
14、onalizedgraphene,[TMC4H2]。。@Gand[TMC6H2]m@G,whichthemagneticmomentof[MnC4H2]m@Gand【FeC6H2]m@Gperunitcellisupto236肛Band443BBesides,mostonedimensionalmolecularwiresadsorptedgraphenearemetals,except[MnC4H2]m@Gissemiconducto
15、rwithabandgapof020eVUsingfirstprinciplescalculations,wesystematicallyinvestigatedtheelectronicandmagneticpropertiesofhalfsandwichedcyclopentadienylligand—transitionmetal(TMCp)functionalizedsinglelayergraphene(SLG),(FeCp)
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