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含缺陷和掺杂石墨烯纳米带电子学和光学性能研究

王志勇  
【摘要】:最近几十年以来,研究者们在硅基电子器件取得了巨大成就并被广泛地应用到了计算机及其他应用领域中,在很多方面表明了电子器件的小型化是其发展的显著特点。实际上,我们是通过硅基晶体管持续的小型化得到更高度集成、功耗更低和更快的电路。现在,我们面对的挑战是器件小型化方法将达到科学和技术的极限。当前急切需要去寻找和开发替代的设备技术。由于碳基纳米材料,特别是准一维的石墨烯纳米带具有出色的电子学性能,因此,研究者认为石墨烯纳米带是制造下一代电子器件的理想候选材料。随着高性能计算能力的不断提高和计算中算法的不断改进,使得我们有可能利用基于第一性原理的计算模拟去了解材料中的电子结构并研究电子器件工程问题。尤为重要的是计算模拟已经成为理论上研究纳米电子学的重要手段。 本文利用基于密度泛函理论的第一性原理,对石墨纳米带的取代掺杂、拓扑缺陷、空位缺陷及其复合型缺陷对电子结构和光学性能的影响进行了系统的研究,此外我们还讨论了有机分子吸附在石墨纳米带上,对其电子学性能的影响。研究结果对基于石墨烯纳米带的电子器件的实际制备和开发具有重要意义。 在石墨烯纳米带中引入Stone-Wales(SW)缺陷,研究发现,对称SW缺陷引起了垂直石墨烯纳米带平面方向局部范围内的扭曲,而非对称SW缺陷只是导致了石墨烯平面内的晶格扭曲。由于七元环具有负曲率而五元环具有正曲率,两种SW缺陷的引入引起了石墨烯纳米带电荷的重新分布。引入SW缺陷后的石墨烯纳米带的吸收和反射谱也发生了明显的红移。含对称SW缺陷的石墨烯纳米带的第一吸收峰的峰值分别是理想和含非对称SW缺陷的石墨烯纳米带第一吸收峰峰值的两倍,且含对称SW缺陷的石墨烯纳米带的第一反射峰的峰值比理想和含非对称SW缺陷的石墨烯纳米带的第一反射峰的峰值大一个数量级,分析认为与含对称SW缺陷石墨烯纳米带出现的折皱构型有关。计入自旋的计算结果表明,非对称SW缺陷影响了不同自旋方向的态密度分布,在相同能量处出现了非对称分布,分析认为是非对称SW缺陷的引入破坏了石墨烯纳米带的对称性。 本文系统地模拟了石墨烯纳米带中杂质原子和空位或者SW缺陷共存的复合情况。对于硼(氮)空位复合缺陷位于边缘的锯齿型石墨烯纳米带,这些复合缺陷很明显地改变了石墨烯纳米带的电子学和光学性能。根据对这些复合结构的能带分析可得,复合缺陷的存在没有改变石墨烯纳米带的金属特性。研究硼空位复合缺陷位于石墨烯纳米带边缘上的结构发现,第一吸收峰与只含有空位的石墨烯纳米带结构相比都出现了蓝移现象。而对于一个氮原子掺杂在石墨烯纳米带边缘的空位上的结构,掺杂氮原子位于边缘的石墨烯纳米带结构与只含有空位的石墨烯纳米带结构的第一吸收峰相比,发生了红移现象,而其他的氮原子掺杂复合缺陷结构的第一吸收峰都发生了蓝移现象。 研究了硼(氮,硅)SW复合缺陷位于石墨烯纳米带上的结构发现,硅原子掺杂在SW缺陷上的石墨烯纳米带几何结构形变最大,分析认为与硅原子较大的原子半径有关。这些复合缺陷的出现对石墨烯纳米带的电子结构和光学性能产生了影响。对于邻近石墨烯纳米带边缘的硼(氮)空位复合缺陷结构对石墨烯纳米带的几何结构和能带结构有较大影响。这为含复合缺陷石墨烯纳米带的输运性能研究和器件设计提供了理论参考。 研究了硼氮共掺杂的石墨烯纳米带发现,其电子能带结构伴随着掺杂原子位置的变化而变化。研究结果表明在没有外电场作用下,不同位置的硼氮共掺杂对应的石墨烯纳米带具有半导体性和半金属性。不同宽度的锯齿型石墨烯纳米带都具有这个特性。这为自旋电子器件的设计提供了理论参考。 对于不同的石墨烯纳米带与三聚氰胺分子相互作用的结构,研究结果显示,三聚氰胺分子与有缺陷和没有缺陷的石墨烯纳米带都有较强的吸附作用。与其他的石墨烯纳米带相比,三聚氰胺分子更趋向于吸附在硅掺杂的石墨烯纳米带平面上。硅掺杂石墨烯纳米带与三聚氰胺分子相互作用结构的能带结构也与其他结构明显不同,Mulliken电荷分析也得到比较一致的结果。 本文最后讨论了扶手椅型石墨烯纳米带中含空位﹑SW缺陷﹑掺杂和复合缺陷情况下的几何结构和电子能带结构的变化。结果显示这些不同类型的缺陷和掺杂对扶手椅型石墨烯纳米带的结构和电子学性能有明显的影响。这为以后扶手椅型石墨烯纳米带的输运性能的研究和电子器件设计提供了理论上的参考。


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