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石墨烯纳米带电光性质及应力调控研究

廖文虎  
【摘要】: 石墨烯(碳原子单层或几层)因其特殊的结构和性能,自2004年底成功制备以来,迅速成为凝聚态物理、材料、化学、信息和生物技术等学科领域的交叉研究热点之一.石墨烯集碳纳米管和分子电子器件的功能于一身,具有许多优异而独特的物理、化学和机械性能,在微纳电子器件、光电子器件、自旋量子器件以及新型复合材料方面有着诱人的应用前景.准一维的石墨烯纳米带既能展现量子受限体系的特性,又是基于石墨烯纳米器件的基本单元,其物理性质更受到特别关注.本学位论文工作以石墨烯纳米带(含碳纳米管)电光性能及其应力调控研究为主要内容. 全文共分为五章.第一章绪论部分,简要介绍了碳纳米管和石墨烯的发现及实验制备,石墨烯中的奇异物理现象和石墨烯及其纳米带在微纳电子学中的潜在应用. 第二章,利用非平衡格林函数方法,研究外加纵向极化高频电磁场作用下金属型锯齿碳纳米管的电子输运性质和光学性质.结果表明,系统电子态密度敏感依赖于电子能量以及外场强度和频率.当辐照场频率大于碳纳米管与电极间的耦合时,系统电导随辐照强度的增强而下降,随辐照频率的增加而振荡上升,并定量探讨了体系的光学介电函数及电子能量耗散谱.同样基于非平衡格林函数技术,研究了外加电磁场辐照下Λ形单壁碳纳米管结的电子输运性质.研究结果表明系统的稳态透射系数敏感依赖于电子能量,而光子辅助透射系数和电导敏感依赖于外场强度和频率. 第三章,在半导体带间跃迁理论和偶极近似的基础上,利用线性响应理论,我们研究了外加高频纵向极化电磁场辐照的扶手椅型石墨烯纳米带的光学性质.发现扶手椅型石墨烯纳米带的的电导率实部、光学介电函数以及电子能量耗散谱等输运性质和光学性质对辐照场频率十分敏感,预计了石墨烯纳米带一些新的直接带隙光跃迁.另外,关于锯齿型石墨烯纳米带光学特性的研究表明,由于边沿态的存在,其光学特性比扶手椅型的更丰富.这些现象可能通过扫描隧道显微技术和光谱测量进行观测,其结果对基于石墨烯纳米光电子器件的设计有参考价值. 第四章,利用紧束缚近似方法,得出了外加非轴向应变对扶手椅型石墨烯纳米带的电子能带色散关系近似表达式,并利用第一性原理Atom-istic Toolkit程序包进行了交叉验证.即先对应变下的扶手椅型石墨烯纳米带进行几何结构的优化,得到优化后数值计算的色散关系并与解析结果进行比较.研究结果表明,外加应变能有效地调节半导体型扶手椅石墨烯纳米带的带隙,并打开金属型扶手椅石墨烯纳米带的带隙.还计算得到了应变下扶手椅型石墨烯纳米带的电子态密度和透射谱,半导体型6-和金属型8-扶手椅石墨烯纳米带的I-V特性曲线及其带间光学吸收谱,并给出了对应的光学吸收频率和幅度,发现外加非轴向应变能有效地调节扶手椅型石墨烯纳米带光学吸收的频谱范围和强度大小.然后,基于相同的软件,我们还研究了外加非轴向应变下6-和8-锯齿型石墨烯纳米带的电子结构、输运性质及光学性质.研究表明,锯齿型石果烯纳米带的能带结构对外加应变并不敏感,但外加应变仍能有效地调节其I-V特性曲线及光学吸收的频率和强度,还发现应变作用下8-锯齿型石墨烯纳米带的负微分电导现象,这在纳米整流器件的设计方面将很有意义. 第五章,对本文的工作进行了总结与归纳,并对石墨烯光电性质及其应力调控这一研究领域的发展前景作了简要的展望.


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