石墨烯结构与性能调控理论研究.pdf

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1、学校代码10530学号200899100044分类号O469密级博士学位论文石墨烯结构与性能调控理论研究学位申请人魏晓林指导教师钟建新教授学院名称材料与光电物理学院学科专业凝聚态物理研究方向低维物理学二○一一年十月TheoreticalstudyofmodulationonthegraphenestructuresandpropertiesCandidateWeiXiaolinSupervisorProfessorZhongJianxinCollegeFacultyofMaterialandPhotoelectronicPhysics

2、ProgramCondensedMatterPhysicsSpecializationLow-dimensionalPhysicsDegreeDoctorUniversityXiangtanUniversityDate2011-10湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：

3、日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要石墨烯自2004年被成功制备以来，因其独特的二维单原子层结构，优异的电学、力学、热学、光学等特性，引起了人们极大的研究兴趣，特别是在电子学领域的巨大潜在应用，使得石墨烯

4、纳米结构的研究成为了目前凝聚态物理和材料研究领域最热门的课题之一。本论文运用理论计算方法，从石墨烯结构改性、掺杂调制入手，系统地研究了石墨烯纳米结构中孔缺陷的形成机制及缺陷结构对石墨烯吸附性能和电子输运行为的影响、空位石墨烯及其纳米结构的气体传感特性以及掺杂对石墨烯及其纳米条带电子结构和电子输运性质的调控机制。全文共分七章。第一章，介绍石墨烯的发现、制备、性质及其潜在的应用。第二章，简单介绍了本论文中所采用的主要数值模拟方法：分子动力学方法、第一性原理计算方法以及结合非平衡态格林函数理论的电子输运方法。第三章，利用分子动力学方法模拟了

5、高能氩原子对悬浮石墨烯的轰击，探讨了通过高能粒子轰击在石墨烯中引入缺陷和形成孔结构的可能性，并研究了孔结构石墨烯及其纳米条带对硅团簇的吸附。运用第一性原理方法计算了缺陷和孔对石墨烯纳米带电学性质的影响，工作围绕孔的大小、形状以及孔边界吸附物对石墨烯纳米带输运性质的影响展开。第四章，研究了石墨烯条带在气体传感器方面的可能应用。通过对两种类嘌呤结构氮空位锯齿型石墨烯条带(ZGNRs)吸附气体分子后电输运性质的研究，发现氮空位ZGNRs比完美ZGNRs对气体分子更加敏感，ZGNRs中氮空位的引入使之更适合作为气体分子传感器。第五章，利用第一

6、性原理方法研究了δ氮掺杂对扶手椅型石墨烯纳米条带（AGNRs）的电子结构及能带特性。研究表明石墨烯的零带隙在氮掺杂率超过一定值时被打开。对于半导体性的AGNRs，δ氮掺杂后其带隙将显著的减小；且经δ氮掺杂调制后，某些类型石墨烯纳米条带将由直接带隙变为间接带隙。研究结果表明，可采用δ氮掺杂调制石墨烯的电子结构，这将为新型纳电子器件的应用提供一种新思路。第六章，利用结合第一性原理与非平衡格林函数方法的ATK软件包计算了δ氮掺杂AGNRs的电输运特性。研究发现δ氮掺杂可以改变AGNRs的电输运性质，破坏宽度为w=3p+2（p为正整数）条带I

7、V曲线的阶梯递增特性，并通过分析电子透射图谱解释了这一现象。第七章是本文工作的总结和将要开展工作的展望。关键词：石墨烯纳米带；孔缺陷；掺杂；电学性质；气体传感器IAbstractSinceitsdiscoveryin2004,Graphenehasattractedgreatattentionbecauseofitsuniquetwo-dimensionalstructureandexcellentelectronic,mechanic,thermalandopticalproperties.Especially,theimmense

8、potentialapplicationsinelectronicsmakethegraphenebecomeoneoftherecenthottestresearchtopicsincondensematterphys