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过渡金属修饰石墨烯吸附性能

于圣  
【摘要】:石墨烯是碳原子间以sp2轨道杂化组成的呈蜂巢状的二维晶体。石墨烯特殊的二维晶体结构以及纳米级尺寸效应,赋予石墨烯大量优异的物理性质。石墨烯具有约翰逊噪声低、比表面积大、热稳定性高、电子转移速率快等特性,这些性质使得石墨烯成为理想的吸附材料。石墨烯吸附其他物质后,原有电子结构发生改变,利用这一性质可探索制备石墨烯基电子器件。本文采用第一性原理密度泛函理论,计算过渡金属Fe、Co、Ni原子吸附石墨烯和Fe原子修饰石墨烯吸附NH3分子的吸附性质,为石墨基纳米材料的应用及石墨烯基NH3分子传感器的研究提供理论依据。 计算采用Materials Studio材料计算模拟软件中的DMol3软件包完成。交换关联函数采用局域密度近似(LDA)和Perdew and Wang形式。全电子自旋限制非对称的Kohn-Sham波函数,在局域原子轨道基矢上展开,基函数采用极化泛函双数值基组(DNP)。 过渡金属原子Fe、Co、Ni吸附石墨烯体系中,考虑单个原子在石墨烯表面吸附的三个高对称位置H位、B位、T位(H位是碳原子六元环中心位置,B位是碳碳键中间位置,T位是碳原子正上方位置),完全结构优化后得到Fe、Co、Ni原子最稳定的吸附位置均为H位。其中,Fe原子吸附能最大。计算完全优化后结构的态密度及密立根电荷。电子态密度的计算结果表明,Fe、Co、Ni原子的吸附,导致费米面附近态密度发生巨大变化,狄拉克点消失,电子趋于占据低能级,峰位左移,吸附增强。分波态密度可以看出,占据的4s轨道,变为非占据态,过渡金属原子失去电子。通过分析各个体系的密立根电荷可知,Fe、Co、Ni原子吸附石墨烯后,导致体系电荷重新分布,电子从过渡金属原子转移到石墨烯平面。距离吸附金属原子最近的六个碳原子电子转移最大,其他碳原子转移电量小于0.006e。Fe原子电荷转移大于Co、Ni原子。 对本征石墨烯吸附NH3分子体系,考虑了NH3分子中的N原子靠近石墨烯平面和NH3分子中的三个H原子靠近石墨烯平面的两种吸附构型,两种吸附构型中吸附能均较小,分别为0.240eV和0.191eV,说明NH3分子与石墨烯基底间没有发生化学反应,为物理吸附。其中,N原子靠近石墨烯平面的吸附构型,比H原子靠近石墨烯平面的吸附构型稳定。Fe原子修饰石墨烯吸附NH3分子的吸附构型与本征石墨烯吸附NH3分子构型一致。同样考虑N原子靠近石墨烯平面和三个H原子靠近石墨烯平面两种吸附构型。H原子靠近Fe原子石墨烯平面的构型完全结构优化后,NH3分子打破对称位置,旋转180°最终变成N原子靠近Fe原子石墨烯平面的结构。Fe原子的引入导致NH3分子中的H原子靠近Fe修饰石墨烯基底的结构无法稳定存在。在两种稳定的吸附构型中,本征石墨烯吸附NH3分子和Fe原子修饰石墨烯吸附NH3分子体系的吸附能分别为0.240eV和1.791eV,同本征石墨烯吸附NH3分子相比,Fe原子的引入增强了石墨烯基底对NH3分子的吸附性能。通过分析体系态密度可知,Fe原子与N原子电子轨道大量杂交,Fe、N原子间发生强烈的相互作用,说明了Fe原子的引入增强了石墨烯基底对NH3分子的吸附作用。密立根电荷分布显示,吸附体系电荷重新分布,Fe原子失去电子,石墨烯中的C原子和NH3分子中的N原子得电子,Fe原子既和石墨烯基底有相互作用又和NH3分子中的N原子有相互作用,这是Fe原子使体系吸附增强的原因。


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