基于第一性原理的石墨烯與氮化鎵界面結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、石墨烯是具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、高透過(guò)率的最薄“超級(jí)材料”，但由于石墨烯的厚度僅相當(dāng)于一個(gè)原子，所以一般在實(shí)際應(yīng)用中必須找到一個(gè)載體來(lái)支撐它，才可以更好的發(fā)揮石墨烯優(yōu)異的性能。而氮化鎵(GaN)由于其優(yōu)異的物理性能和化學(xué)性能，使其在微電子器件、光電子器件等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值，但GaN基材料到目前為止仍然存在很多不足，人們也一直在尋找能夠解決GaN材料“高密度位錯(cuò)、工作速度慢、散熱性能不良、高集成和互聯(lián)難度大”這些問(wèn)題的方案

2、。直到石墨烯的發(fā)現(xiàn)給解決GaN材料的這些問(wèn)題帶來(lái)了新的思路。新型的石墨烯/氮化鎵異質(zhì)結(jié)材料不僅克服了氮化鎵的許多缺陷，同時(shí)也為石墨烯提供了一個(gè)理想的載體，目前石墨烯/氮化鎵異質(zhì)結(jié)材料已經(jīng)在許多領(lǐng)域里已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
　　本文采用基于密度泛函理論的第一性原理對(duì)單層石墨烯/氮化鎵異質(zhì)結(jié)材料進(jìn)行了研究。重點(diǎn)討論了石墨烯(2×2)/氮化鎵（√3×√3）體系和石墨烯（3√3×3√3）/氮化鎵(4×4)的體系，并對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。計(jì)

3、算了兩種體系在界面處的幾何結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)，表面的功函數(shù)，并分析由石墨烯層誘導(dǎo)的電荷密度的變化。結(jié)果表明，在兩種體系中，石墨烯層與氮化鎵之間的結(jié)合力為范德瓦爾斯力。石墨烯(2×2)/氮化鎵（√3×√3）體系表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性，石墨烯在K點(diǎn)附近的狄拉克錐結(jié)構(gòu)不再存在，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂出現(xiàn)在布里淵區(qū)的Γ點(diǎn)，在Γ點(diǎn)形成大小為0.12eV的帶隙，體系表面的功函數(shù)為5.26eV，電子不容易脫離體系表面。而石墨烯（3√3×3√3）/氮化鎵(4×4)體系的

4、帶隙寬度為0.01eV，在外加電場(chǎng)-1V/(A)-1V/(A)的范圍內(nèi)，帶隙寬度最大為0.016eV。體系表面處的功函數(shù)為4.77eV，相比于石墨烯(2×2)/氮化鎵（√3×√3）體系，其表面對(duì)電子的束縛力較弱，但相比于石墨烯(2×2)/氮化鎵（√3×√3）結(jié)構(gòu)，石墨烯(2×2)/氮化鎵（√3×√3）結(jié)構(gòu)的不匹配率較低，未來(lái)可應(yīng)用于透明電極材料，從而提高傳統(tǒng)LED的導(dǎo)電性和出光率。計(jì)算結(jié)果為石墨烯作為氮化鎵材料的吸附層的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了

5、理論依據(jù)。論文主要分如下幾章內(nèi)容詳細(xì)討論:
　　第一章:詳細(xì)介紹了石墨烯的發(fā)展歷程，基本性質(zhì)以及應(yīng)用方向，同時(shí)也介紹氮化鎵的基本性能和研究現(xiàn)狀，并指出了氮化鎵自身的缺陷，由此引出石墨烯/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究意義，不止克服了氮化鎵本身的不足，同時(shí)也為只有一個(gè)原子厚度的石墨烯提供了載體，并預(yù)想了未來(lái)石墨烯/氮化鎵異質(zhì)結(jié)材料的應(yīng)用方向。并由此確定本論文的工作安排。
　　第二章:詳細(xì)介紹了本文中用到的理論知識(shí)，主要包括第一性原理和密

6、度泛函理論，此外，介紹了常用的基于密度泛函理論的軟件包，包括Materials Studio、CASTEP、ATK，以及本文主要使用的軟件包VASP。
　　第三章:詳細(xì)介紹了本文的計(jì)算過(guò)程的參數(shù)設(shè)置以及模型的構(gòu)建過(guò)程。
　　第四章:詳述石墨烯(2×2)/氮化鎵（√3×√3）結(jié)構(gòu)界面處的性質(zhì)，包括能帶結(jié)構(gòu)，態(tài)密度，功函數(shù)以及差分電荷密度，結(jié)果表明石墨烯與氮化鎵之間依靠范德瓦爾斯力結(jié)合，體系呈現(xiàn)出半導(dǎo)體的特性。
　　第五章

7、:石墨烯(3√3×3√3)/氮化鎵(4×4)結(jié)構(gòu)的界面處的性質(zhì)，包括能帶結(jié)構(gòu)，態(tài)密度，功函數(shù)以及差分電荷密度，結(jié)果表明石墨烯與氮化鎵之間依靠范德瓦爾斯力結(jié)合，體系呈現(xiàn)出半金屬的特性。
　　第六章:對(duì)本文的工作進(jìn)行總結(jié)。通過(guò)對(duì)兩種構(gòu)型的比較可知，在兩種構(gòu)型中，石墨烯與氮化鎵之間都是依靠范德瓦爾斯力結(jié)合，石墨烯(2×2)/氮化鎵（√3×√3）結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性，而石墨烯（3√3×3√3）/氮化鎵(4×4)結(jié)構(gòu)的不匹配率相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)