應變下氮和硼替位摻雜石墨烯的結構和電子性質.pdf

1、石墨烯由于具有獨特的二維結構特征，因而表現(xiàn)出奇異的力學性能、電學性能及熱力學性能，有望在納米電子器件方面、傳感器方面、復合材料方面和儲能方面得到廣泛的應用。尤其是由于它絕佳的電子性能，決定了石墨烯有可能替代半導體塊體硅材料成為新一代納米電子器件的基礎材料。但是由于石墨烯是一種半金屬材料，帶隙寬度為零，直接應用于納米尺度電子器件或電子電路中的范圍非常有限，所以如何有效地控制其電子結構是應用中最重要的一環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)，通過對石墨烯進行氮(硼)

2、的替位摻雜可以獲得n(p)-石墨烯半導體，并可以通過改變其摻雜濃度來調節(jié)其性質。而在實際的應用中，由于與襯底或其他環(huán)境的作用，會使得石墨烯的結構發(fā)生形變，并且這種形變會影響石墨烯的物理、化學性質，因此對 N(B)摻雜對石墨烯在應變之下的結構和電子性質的研究非常重要。本文中，采用基于密度泛函理論的第一性原理計算（從頭計算）方法，研究了氮和硼摻雜石墨烯在不同應變之下的結構和電子性質，研究的結果主要分為以下幾部分：
　　1、對無摻雜純凈

3、石墨烯、N替位摻雜石墨烯和B替位摻雜石墨烯體系進行了結構弛豫計算，得到了平衡狀態(tài)下各個體系的的晶格常數(shù)：本征石墨烯體系的晶格常數(shù)為1.4683nm；N摻雜石墨烯的晶格常數(shù)為1.4663nm；B摻雜石墨烯體系的晶格常數(shù)為1.4713nm。與本征石墨烯相比，N摻雜石墨烯的晶格常數(shù)減小， B摻雜石墨烯的晶格常數(shù)增大。
　　2、研究了各體系的總能量隨應變的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)對于純凈石墨烯，在應變30％時體系的總能發(fā)生突變，體系在應變大于30%

4、的情況下不再處于彈性應變范圍，即純石墨烯的臨界應變?yōu)?0%；而對于氮硼摻雜石墨烯，得到的臨近應變分別為17.6%、17.4%，表明摻雜后體系的彈性應變范圍顯著減小。
　　3、通過分析電子局域化函數(shù)來對體系進行成鍵分析。對于純凈石墨烯，我們發(fā)現(xiàn)在彈性應變范圍時，石墨烯中每個原子與其最近鄰原子都有互成120度角對稱分布的三個吸引子，可見碳碳之間存在牢固的共價結合。而在非彈性應變范圍，碳原子之間的吸引子出現(xiàn)明顯的分離現(xiàn)象，電子高局域化區(qū)

5、域在移向各個碳原子的周圍；對于氮硼摻雜體系，發(fā)現(xiàn)在小于等于臨界應變時，能保持原有的六角晶格不變，在進入非彈性應變范圍時，體系不再保持原有的成鍵特征，C-N(B)鍵斷裂，原子鍵形成原子鏈或團簇。
　　4、通過對本征石墨烯和摻雜石墨烯電子性質研究，發(fā)現(xiàn)在對稱應變下，本征石墨烯體系保持零帶隙不變，而在進行氮（硼）原子的替位摻雜之后，費米能級處出現(xiàn)電子態(tài)，石墨烯體系從零帶隙半金屬轉變?yōu)榻饘?并且應變對N（B）摻雜石墨烯的費米能級有調節(jié)作用