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石墨烯传感性能理论计算

朱振华  
【摘要】:石墨烯有着良好的电导热导特性以及奇特的零带隙特点,这使得它是作为气体传感器的不错的选择。实验室中已经证实将石墨烯作为气体传感性的可能,但是缺乏理论上的依据和指导,使得在实验室中主要以尝试和重复为主要手段来提高石墨烯的各方面的性能。为了进一步完善和提高石墨烯传感器的制备技术,给实验室中制备石墨烯传感器给予理论上的解释和指导,本次工作采用理论计算的方法对石墨烯进行研究。 本文根据密度泛函理论DFT,采用第一性原理计算软件vasp对石墨烯进行建模计算,通过对石墨烯的理论模拟的构建与计算,研究了石墨烯的相关电子结构性质,对石墨烯作为气体传感器的可行性给予了解释与指导。对石墨烯的处理包括选择不同的层数对比研究其电子结构性质,研究石墨烯吸附气体后的电子结构性质,选择的气体为氢气、氧气、一氧化氮。对石墨烯进行了掺杂研究,所选用的掺杂原子为B和N,对比研究了掺杂前后的石墨烯的电子结构,以及掺杂后的不同层数的石墨烯吸附气体的电子结构性质。研究结构表明,不同层数的石墨烯在气体传感特性上有着一定程度的相似性,作为气体传感器时可以互相作为替代。同时也指出了它们的利弊优劣,即低层数的灵敏性高但不够稳定,高层数的稳定性好但灵敏性略差。同时研究发现掺杂或吸附均会对石墨烯的电子结构造成影响,这对从微观程度上调节石墨烯的能级结构有着重要意义。石墨烯掺杂后其零带隙的特点就会遭到破坏,能带会被拉开成为半导体,使得石墨烯的导电性受到影响。同时掺杂还会影响到石墨烯的稳定性,导致整体能量的改变。


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