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《西北大学》 2010年
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石墨烯及其掺杂体系电子结构性质的理论研究

杜恭贺  
【摘要】: 石墨烯是一种新型二维平面碳纳米材料,其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的性质。过去几年中,石墨烯已经成为了备受瞩目的国际前沿和热点,在众多领域有着潜在的巨大应用价值。本文利用基于第一性原理的密度泛函理论,对石墨烯及其掺杂体系电子结构性质进行理论模拟和计算,为其在纳米电子器件,储能,新型传感器等领域的应用提供理论指导。 对一定尺寸的石墨烯研究发现,随着尺寸的增大,能隙逐渐减小,材料由半导体性质逐渐向金属性质过渡,电荷密度主要集中在边缘部分,特别是集中于zigzag边缘。设计了一系列石墨烯量子点并对其进行了理论模拟计算。研究发现,当石墨烯量子点包含六个苯环且呈正三角形结构排列时,其同时具有磁性和光致发光现象。用含时密度泛函理论对其进行激发态的计算,得到了该量子点的电子吸收光谱,找到了和实验观测到的波长相一致的吸收光谱,提出石墨烯量子点的光致发光源于zigzag边缘效应。对其磁性分析发现,由于三重态比单重态更稳定,就可以提供具有未成对电子的顺磁中心而使其具有磁性,因而要想使石墨烯具有磁性,就需要有一定的孤对电子。 研究H2在石墨烯表面的吸附发现,H2在本征的单层石墨烯表面是很弱的物理吸附作用,H2和石墨烯表面的距离较远,吸附能也很小。当有Al或Li+掺杂后,吸附能大大增加,体系的几何构型和电子结构等都有了显著的改变,H2与掺杂的石墨烯之间具有较强的物理吸附,从而大大增强了石墨烯基探测器对H2的灵敏度。 对石墨烯储锂机理研究发现,锂离子吸附在石墨烯碳环心位时最稳定,其吸附能相比碳纳米管大大增加,通过对Li+-石墨烯体系的电子态密度分析发现,有一部分电子从石墨烯转移到锂离子上,增强了体系的导电性质。锂离子要想穿越单层石墨烯势垒,需要1.726eV的能量,而穿越有空穴的石墨烯势垒则需要更大的能量。研究发现,石墨烯作为锂离子电池的新型负极材料,有着很大的优越性和应用性。 并五苯分子也可以看作是zigzag边缘的石墨烯量子点,因为其高的电荷迁移率而成为一种倍受重视的有机半导体材料,为了增加其在有机溶剂中的溶解性同时又保持高的电荷迁移率,我们在并五苯分子中引入极性取代基F,Cl,Br。采用密度泛函理论研究了它们的分子构型,偶极矩,前线分子轨道,电离势和亲和能以及重组能。研究发现,这些卤代并五苯和并五苯一样具有很低的重组能(<0.2eV),因而具有很高的电荷迁移率。更为重要的是,当取代基位于2位置或者2,9位置时卤代并五苯是极性分子,因而易溶于有机溶剂而便于器件的加工和性能的稳定(并五苯不溶于有机溶剂),这表明它们是一种优于并五苯的新型有机半导体材料。
【学位授予单位】:西北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O613.71

【引证文献】
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【同被引文献】
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