基于石墨烯及其無機同類物的計算研究和材料設(shè)計.pdf

1、隨著計算模擬方法的日趨成熟和計算機性能的不斷提高，可以在原子水平上模擬低維納米結(jié)構(gòu)的各種現(xiàn)象。在本論文研究中，通過密度泛函理論計算，對石墨烯材料及其無機類似物進行了幾何結(jié)構(gòu)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)和催化性能等方面的研究。
　　 首先對石墨烯可能的用途進行了探索。在石墨烯的晶格里構(gòu)造一個空位缺陷，可以將一個Fe原子分散固定住而不形成團簇。Fe原子可以將一個02分子充分活化，然后連續(xù)和兩個CO分子反應(yīng)，同時生成兩個C02分子。整個過程在熱

2、力學(xué)和動力學(xué)上都較為有利。這表明Fe修飾的石墨烯有著良好的催化性能。
　　 實驗中合成出的一種具有周期性的孔結(jié)構(gòu)的石墨烯材料-二維聚苯是具有直接帶隙的半導(dǎo)體。由于H2的動力學(xué)直徑接近二維聚苯的孔的寬度，所以H2可以很輕易地通過二維聚苯的孔，而C02、CO、CH4等動力學(xué)直徑較大的氣體分子則很難通過二維聚苯的孔。這表明二維聚苯對H2和C02,CO、CH4具有相當高的選擇性，可以用作分離和提純H2的膜材料。
　　 接著研究了

3、摻雜、氫化以及異質(zhì)結(jié)對于石墨烯納米帶電學(xué)性質(zhì)的影響。N摻雜缺陷都傾向于出現(xiàn)在鋸齒型石墨烯納米帶的邊緣。用一個N原子取代納米帶邊緣的C原子，可以使納米帶成為奇特的自旋零帶隙半導(dǎo)體；如果再用一個N原子取代另外一條邊上的一個C原子，納米帶會變成無磁性的金屬。此外，吡啶狀和吡咯狀的N摻雜缺陷都可以破壞納米帶邊緣態(tài)的對稱，使得納米帶變成半金屬或者自旋零帶隙半導(dǎo)體。給石墨烯納米帶的每個C原子添加一個H原子，可以使之成為石墨烷納米帶。計算表明，由于C

4、原子從sp2雜化轉(zhuǎn)變?yōu)閟p3雜化，石墨烷納米帶呈現(xiàn)出和石墨烯納米帶截然不同的電學(xué)性質(zhì)。所有的石墨烷納米帶都是無磁性的寬帶隙半導(dǎo)體，并且具有很高的穩(wěn)定性。根據(jù)實驗上觀察到的石墨烯納米帶異質(zhì)結(jié)，設(shè)計了一種鋸齒型邊緣和扶手椅型邊緣交替出現(xiàn)的混合石墨烯納米帶。當鋸齒型邊緣比較短的時候，混合石墨烯納米帶是無磁性的半導(dǎo)體。隨著鋸齒型長度的增加，慢慢變成基態(tài)是反鐵磁態(tài)的磁性半導(dǎo)體。研究表明，在外加電場的作用下，混合石墨烯納米帶也可以轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饘佟?b

5、r>　　 在石墨烯研究的激勵下，還研究了石墨烯無機同類物MoS2單層和納米帶的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。MoS2單層是無磁性的半導(dǎo)體。由于邊緣不飽和原子的存在，鋸齒型MoS2納米帶是一種基態(tài)為鐵磁性金屬的材料，并且不隨寬度和厚度的變化而發(fā)生改變。而扶手椅型MoS2納米帶是無磁性的半導(dǎo)體，帶隙隨寬度增加最終收斂于0.56 eV。MoS2納米帶具有相當高的穩(wěn)定性，比實驗上已經(jīng)合成出的三角MoS2團簇具有更高的鍵合能。
　　 最后，在平面構(gòu)型

6、分子SiC4的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種新型二維無機材料：SiC2單層。在SiC2單層中，1個Si原子和4個C原子形成化學(xué)鍵，并且這四個化學(xué)鍵處于同一個平面上。SiC2單層是一個局域能量最低構(gòu)型，具有較高的鍵合能。將SiC2單層進行卷曲可以得到SiC2納米管。SiC2納米管不僅具有相當高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，還具有很好的力學(xué)性能。SiC2單層還可以剪裁為SiC2納米帶。計算表明SiC2單層以及SiC2納米管和納米帶都呈金屬性。
　　 本文指出