10468.石墨烯的電子性質(zhì)和磁性質(zhì)調(diào)節(jié)機(jī)制的理論研究

1、曹夢(mèng)瑤石墨烯晌電子性質(zhì)和磁性質(zhì)調(diào)節(jié)機(jī)制的理論研究摘要石墨烯是由單層碳原子通過(guò)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(xué)性質(zhì)引起人們的廣泛關(guān)注。然而，要想實(shí)現(xiàn)石墨烯在電子學(xué)和自旋電子學(xué)的廣泛應(yīng)用亟待解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一個(gè)大的開(kāi)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(shí)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(jī)配體(OL)過(guò)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(jià)結(jié)合且具有高化學(xué)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(dǎo)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(wú)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(dá)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(dǎo)體的，其帶隙為O20eV。利用第一性原理計(jì)算，我們系統(tǒng)地研究了半三明治有機(jī)配體過(guò)渡金屬(FeCp)基團(tuán)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(jì)算結(jié)果表明，F(xiàn)eCp基團(tuán)可以和石墨烯共價(jià)結(jié)合且具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性。除了FeCp@G44，F(xiàn)eCp2／3@044D5，F(xiàn)e2Cp2@G44B2一D5沒(méi)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(duì)于3x3的石墨烯超胞，所有(FeCp)。@G33s結(jié)構(gòu)均為半導(dǎo)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(duì)于4x4的石墨烯超胞，除了FezCp2@G44B

6、zD5是半導(dǎo)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(diǎn)被打開(kāi)，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(dá)2oo№，2OO№，348№曹夢(mèng)瑤石墨烯的電子性質(zhì)和磁性質(zhì)調(diào)節(jié)機(jī)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)