基于石墨烯材料的新性能預(yù)測(cè).pdf

1、基于石墨烯獨(dú)特的力、熱、光和電性能以及微電子技術(shù)的發(fā)展需求,石墨烯有望被應(yīng)用于微電子領(lǐng)域,成為最具潛力的器件之一。我們基于密度泛函理論的第一性原理,借助于Materials Studio軟件,研究了過(guò)渡金屬(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)摻雜石墨烯的稀磁特性、石墨烯-碳化硅異質(zhì)結(jié)電磁特性,以及不同尺寸的石墨烯量子點(diǎn)的光電磁特性,具體分析了它們的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度或電子自旋密度分布等,得到了以下結(jié)論:
　　(1)不同的過(guò)渡金

2、屬摻雜體系呈現(xiàn)出不同強(qiáng)弱的磁性,磁矩大小排列為:Mn>Fe>V>Cr>Ni>Co?？紤]到過(guò)渡金屬摻雜石墨烯中,摻雜格點(diǎn)位置和自旋方向不同,各被分成5種不同的情況,除了 Cr摻雜體系外,在 V、Mn、Fe、Co和Ni摻雜體系中,當(dāng)兩個(gè)摻雜原子自旋方向相同時(shí),不管是相同格點(diǎn)摻雜還是相異格點(diǎn)摻雜,磁矩都較大,特別是Co和Ni原子摻雜;對(duì)于Cr摻雜系統(tǒng),相異格點(diǎn)摻雜且自旋方向不同的情況下,磁矩最大(7.42376μB);相同情況下,這6種過(guò)渡金

3、屬摻雜,當(dāng)兩個(gè)雜質(zhì)原子的自旋方向相反時(shí),形成能更低,體系更穩(wěn)定。
　　(2)以 Mn摻雜石墨烯為例具體研究了摻雜濃度、雜質(zhì)占據(jù)格點(diǎn)位置和雜質(zhì)原子距離對(duì)磁性的影響,結(jié)果表明:系統(tǒng)的總磁矩隨摻雜濃度增加而變大,在相同摻雜濃度條件下,摻雜原子取不同自旋方向可使超胞系統(tǒng)具有更低的形成能和更強(qiáng)的磁性;雜質(zhì)的形成能、得失電子能力以及超胞系統(tǒng)的磁性都與Mn原子占據(jù)的格點(diǎn)位置有關(guān),同種晶格摻雜更有利于增強(qiáng)系統(tǒng)的磁性。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)態(tài)密度的分析表明,過(guò)

4、渡金屬摻雜石墨烯超胞系統(tǒng)的磁性機(jī)制主要與TM-d態(tài)電子和C-p態(tài)電子的p-d交換關(guān)聯(lián)作用有關(guān)。
　　(3)對(duì)于石墨烯-碳化硅異質(zhì)結(jié),經(jīng)過(guò)幾何優(yōu)化之后,結(jié)構(gòu)發(fā)生很大畸變,Fe和Mn摻雜異質(zhì)結(jié)的幾何結(jié)構(gòu)畸變更大;磁性計(jì)算結(jié)果顯示,異質(zhì)結(jié)的磁矩比單純的過(guò)渡金屬摻雜大得多,無(wú)雜質(zhì)異質(zhì)結(jié)、Fe和 Mn摻雜異質(zhì)結(jié)的磁矩分別為15.9344μB、16.2447μB和18.4669μB,而該磁性主要源于摻雜原子和緊挨著石墨烯的第一層碳化硅中的碳原