含缺陷和摻雜石墨烯納米帶電子學(xué)和光學(xué)性能研究.pdf

1、最近幾十年以來,研究者們在硅基電子器件取得了巨大成就并被廣泛地應(yīng)用到了計(jì)算機(jī)及其他應(yīng)用領(lǐng)域中,在很多方面表明了電子器件的小型化是其發(fā)展的顯著特點(diǎn)。實(shí)際上,我們是通過硅基晶體管持續(xù)的小型化得到更高度集成、功耗更低和更快的電路?，F(xiàn)在,我們面對的挑戰(zhàn)是器件小型化方法將達(dá)到科學(xué)和技術(shù)的極限。當(dāng)前急切需要去尋找和開發(fā)替代的設(shè)備技術(shù)。由于碳基納米材料,特別是準(zhǔn)一維的石墨烯納米帶具有出色的電子學(xué)性能,因此,研究者認(rèn)為石墨烯納米帶是制造下一代電子器件的

2、理想候選材料。隨著高性能計(jì)算能力的不斷提高和計(jì)算中算法的不斷改進(jìn),使得我們有可能利用基于第一性原理的計(jì)算模擬去了解材料中的電子結(jié)構(gòu)并研究電子器件工程問題。尤為重要的是計(jì)算模擬已經(jīng)成為理論上研究納米電子學(xué)的重要手段。
　　 本文利用基于密度泛函理論的第一性原理,對石墨納米帶的取代摻雜、拓?fù)淙毕?、空位缺陷及其?fù)合型缺陷對電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,此外我們還討論了有機(jī)分子吸附在石墨納米帶上,對其電子學(xué)性能的影響。研究結(jié)

3、果對基于石墨烯納米帶的電子器件的實(shí)際制備和開發(fā)具有重要意義。
　　 在石墨烯納米帶中引入Stone-Wales(SW)缺陷,研究發(fā)現(xiàn),對稱SW缺陷引起了垂直石墨烯納米帶平面方向局部范圍內(nèi)的扭曲,而非對稱SW缺陷只是導(dǎo)致了石墨烯平面內(nèi)的晶格扭曲。由于七元環(huán)具有負(fù)曲率而五元環(huán)具有正曲率,兩種SW缺陷的引入引起了石墨烯納米帶電荷的重新分布。引入SW缺陷后的石墨烯納米帶的吸收和反射譜也發(fā)生了明顯的紅移。含對稱SW缺陷的石墨烯納米帶的第一

4、吸收峰的峰值分別是理想和含非對稱SW缺陷的石墨烯納米帶第一吸收峰峰值的兩倍,且含對稱SW缺陷的石墨烯納米帶的第一反射峰的峰值比理想和含非對稱SW缺陷的石墨烯納米帶的第一反射峰的峰值大一個(gè)數(shù)量級,分析認(rèn)為與含對稱SW缺陷石墨烯納米帶出現(xiàn)的折皺構(gòu)型有關(guān)。計(jì)入自旋的計(jì)算結(jié)果表明,非對稱SW缺陷影響了不同自旋方向的態(tài)密度分布,在相同能量處出現(xiàn)了非對稱分布,分析認(rèn)為是非對稱SW缺陷的引入破壞了石墨烯納米帶的對稱性。
　　 本文系統(tǒng)地模擬了

5、石墨烯納米帶中雜質(zhì)原子和空位或者SW缺陷共存的復(fù)合情況。對于硼(氮)空位復(fù)合缺陷位于邊緣的鋸齒型石墨烯納米帶,這些復(fù)合缺陷很明顯地改變了石墨烯納米帶的電子學(xué)和光學(xué)性能。根據(jù)對這些復(fù)合結(jié)構(gòu)的能帶分析可得,復(fù)合缺陷的存在沒有改變石墨烯納米帶的金屬特性。研究硼空位復(fù)合缺陷位于石墨烯納米帶邊緣上的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),第一吸收峰與只含有空位的石墨烯納米帶結(jié)構(gòu)相比都出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象。而對于一個(gè)氮原子摻雜在石墨烯納米帶邊緣的空位上的結(jié)構(gòu),摻雜氮原子位于邊緣的石墨

6、烯納米帶結(jié)構(gòu)與只含有空位的石墨烯納米帶結(jié)構(gòu)的第一吸收峰相比,發(fā)生了紅移現(xiàn)象,而其他的氮原子摻雜復(fù)合缺陷結(jié)構(gòu)的第一吸收峰都發(fā)生了藍(lán)移現(xiàn)象。
　　 研究了硼(氮,硅)SW復(fù)合缺陷位于石墨烯納米帶上的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),硅原子摻雜在SW缺陷上的石墨烯納米帶幾何結(jié)構(gòu)形變最大,分析認(rèn)為與硅原子較大的原子半徑有關(guān)。這些復(fù)合缺陷的出現(xiàn)對石墨烯納米帶的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能產(chǎn)生了影響。對于鄰近石墨烯納米帶邊緣的硼(氮)空位復(fù)合缺陷結(jié)構(gòu)對石墨烯納米帶的幾何結(jié)構(gòu)

7、和能帶結(jié)構(gòu)有較大影響。這為含復(fù)合缺陷石墨烯納米帶的輸運(yùn)性能研究和器件設(shè)計(jì)提供了理論參考。
　　 研究了硼氮共摻雜的石墨烯納米帶發(fā)現(xiàn),其電子能帶結(jié)構(gòu)伴隨著摻雜原子位置的變化而變化。研究結(jié)果表明在沒有外電場作用下,不同位置的硼氮共摻雜對應(yīng)的石墨烯納米帶具有半導(dǎo)體性和半金屬性。不同寬度的鋸齒型石墨烯納米帶都具有這個(gè)特性。這為自旋電子器件的設(shè)計(jì)提供了理論參考。
　　 對于不同的石墨烯納米帶與三聚氰胺分子相互作用的結(jié)構(gòu),研究結(jié)果顯

8、示,三聚氰胺分子與有缺陷和沒有缺陷的石墨烯納米帶都有較強(qiáng)的吸附作用。與其他的石墨烯納米帶相比,三聚氰胺分子更趨向于吸附在硅摻雜的石墨烯納米帶平面上。硅摻雜石墨烯納米帶與三聚氰胺分子相互作用結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)也與其他結(jié)構(gòu)明顯不同,Mulliken電荷分析也得到比較一致的結(jié)果。
　　 本文最后討論了扶手椅型石墨烯納米帶中含空位、SW缺陷、摻雜和復(fù)合缺陷情況下的幾何結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果顯示這些不同類型的缺陷和摻雜對扶手椅型石墨烯