掺杂石墨烯制备方法新进展

石墨烯是一种新兴的二维碳纳米材料,在平面内碳原子以sp2电子轨道杂化形成蜂巢状晶格结构,厚度只有0.34 nm,具备优异的光电性能.然而石墨烯价带和导带之间的带隙为零,这限制了其在纳米电子学中的应用.通过杂原子(如氮、硼、氟等)对石墨烯进行掺杂的方式,可以打开带隙使其成为n型或p型材料,调节其电子结构和其他内在性质,有效地改善或扩大其在各种领域中的应用.掺杂对石墨烯性能的影响主要取决于杂原子键合类型以及掺杂量.比如掺杂氮原子的石墨烯片将在晶格中产生吡啶氮、石墨氮以及吡咯氮这3种常见的键合结构,而不同氮的存在形式会对掺杂石墨烯的催化及电学特性产生影响.本文综述了近年来掺杂石墨烯的制备、性质和应用,比较了现有制备方法的优缺点,介绍了其在能量存储转换、光电器件以及传感器等方面的应用实例,分析总结了现有掺杂石墨烯材料的不足并展望了其未来的发展方向.     

硼氮掺杂对锯齿形石墨烯纳米带影响的第一性原理研究

本文主要通过在密度泛函理论下的第一性原理计算方法,计算了硼氮掺杂下锯齿形石墨烯纳米带的形成能、能带结构和电子态密度,对掺杂产生的影响进行了分析和研究.研究发现具有硼氮成对的结构相对于单种类原子掺杂更稳定,同样具有在纳米带边缘非对称硼氮掺杂的结构较对称掺杂更稳定.硼氮掺杂能显著改变锯齿形石墨烯纳米带的能带结构,对边缘加氢数量不同的石墨烯纳米带的能隙有完全相反的影响.本文发现了两种通过硼氮掺杂具有自旋现象的结构.     

硅掺杂对石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响

采用Tersoff势对硅掺杂石墨烯薄膜的拉伸过程进行了分子动力学模拟,研究了不同硅掺杂比对扶手椅型和锯齿型石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响,得到了相应的应力-应变关系以及拉伸破坏形态.研究结果表明,硅原子的替换掺杂对石墨烯薄膜杨氏模量的影响明显,其拉伸极限应变和拉伸强度随着硅原子掺杂比的增大而显著减小.     

B、N共掺杂单层石墨烯电子结构和导电性能

利用密度泛函理论研究方法对B、N原子以邻、间、对位等3种不同的相对位置以相同的比例(12.5%)共掺杂单层石墨烯的电子结构进行研究,分别计算共掺杂结构的能带结构、态密度、电荷密度和电荷差分密度等。结果表明:B、N原子共掺杂石墨烯的价带和导带之间出现直接带隙,而且价带电子轨道和导带空轨道分布更靠近费米能级,共掺杂石墨烯可同时作为电子的供体和受体,间位共掺杂结构的带隙值最小(1.296eV).在共掺杂结构的电荷重新分布过程中,B、C和N间的互相杂化和电荷的转移主要发生在各原子的2p轨道,其中B-C原子杂化轨道分布更靠近费米能级,C-N原子杂化轨道能分布在较低的能量区间。     

掺杂Pt/Pd石墨烯体系的气体吸附性

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算分析了Pt/Pd 2种过渡金属元素掺杂的石墨烯吸附O2和CO体系的原子和电子结构,对本征石墨烯和掺杂后石墨烯体系吸附气体的吸附能、电荷转移、能带结构和电子态密度进行分析对比.由掺杂前后的结果分析发现,本征石墨烯吸附气体时的吸附能与电荷转移都较小,Pt/Pd原子的掺杂使吸附体系的吸附能和电荷转移显著增大.由于基态Pt原子核外电子d轨道未满,费米能级附近电子态密度较高,而Pd原子核外电子d轨道全满,掺杂Pt原子的石墨烯体系吸附能、电荷转移都比掺杂Pd原子的石墨烯体系大,掺杂Pt原子改善石墨烯气敏性能.     

Bi,Se和Te吸附n/p型石墨烯电子结构研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Bi,Se,Te在缺陷(单空位,B掺杂和N掺杂)石墨烯上的吸附结构及电子和磁性质.研究表明:在能量稳定的Bi(Se)/石墨烯吸附体系中,Bi吸附诱导产生磁性;在空位缺陷石墨烯上的吸附会改变费米能级处态密度分布,影响体系的导电性质;在B(N)掺杂吸附体系中,B比N对吸附原子的影响大;除Se在B掺杂石墨烯上吸附外,Bi,Se,Te在其它n/p型掺杂吸附体系中均显示磁性.缺陷增强了Bi,Se,Te与石墨烯之间的相互作用,对吸附体系的电子结构和电荷分布有较大的影响.     

硼化氮-石墨烯杂化单原子层电学性质的第一原理

利用基于密度泛函理论的第一原理方法研究二维六方硼化氮片（h-BN） 石墨烯杂化单原子层的电学性质. 结果表明: 三角形h-BN嵌入石墨烯中或三角形石墨烯片嵌入二维h-BN中均会在能带结构导带和价带中间引入带间态, 带间态的形态与杂化方式有关; 半导体性与导体性质可相互转变, 即该杂化结构的电子结构可通过不同杂化形式调制.     

Ti掺杂扶手椅型石墨烯纳米带电子和光学性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，深入研究了Ti掺杂对扶手椅石墨烯纳米带(AGNRs)电子结构和光学性质的影响.研究表明：Ti原子的引入不会改变AGNR(7,4)原有的半导体性，但是可以通过改变掺杂位置和掺杂浓度来调控AGNR(7,4)的带隙；增大Ti掺杂的浓度，体系的带隙减小，其LUCB和HOVB的色散逐渐增大，LUCB和HOVB主要源于Ti原子及邻近C原子上电荷的贡献；Ti掺杂的AGNR(7,4)在3～9 eV的紫外线范围内能吸收特定波长的光，通过改变掺杂浓度可以有效地调节吸收强度.该项研究结果对石墨烯纳米带在纳米电子和光电器件的设计及应用中具有理论指导意义.     

Al,Si,P掺杂对Ge在石墨烯上吸附的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了Al、Si和P掺杂对Ge在石墨烯上吸附的影响.Ge原子在完整石墨烯上吸附的最稳定位置为桥位,Ge的吸附改变了石墨烯中C原子的电子自旋性质;Al、Si和P掺杂石墨烯使衬底C原子发生了移动,且Si,P原子掺杂比Al掺杂石墨烯容易;杂质类型对Ge在石墨烯上的吸附位置有较大的影响,...     

杂原子掺杂石墨烯的制备及其光电转换性能研究

报道一种在离子液体辅助条件下通过小分子热分解聚合法制备硼掺杂石墨烯和氮掺杂石墨烯的新方法.在对抽制备的石墨烯材料的形貌、光学性质、电学性质及半导体类型进行表征的基础上,进一步研究用电沉积方法组装的石墨烯光电极薄膜在光化学电池和固态光伏器件中的光电转换性能.实验结果表明,文中合成的掺杂石墨烯具有良好的光电转换性能,其中以硼掺杂石墨烯和氮掺杂石墨烯的复合薄膜最佳,其光电化学电池的光电流达到(4.69±0.05)×10~(-5)A/cm~2,其固体器件的光电流响应为(5.38±0.38)×10~(-6)A/cm~2.     

稀土（Sc, Y, La）掺杂CdS光电性质的第一性原理研究

采用第一性原理赝势平面波方法对CdS掺杂稀土元素(Sc、Y、La)的光电性质进行了计算与分析.计算结果表明:Sc、Y、La掺杂后,CdS的晶格常数增大,晶胞体积也相应增大.Sc、Y、La置换Cd导致费米面进入导带中,禁带宽度有所增大,导电类型变为n型,说明稀土Sc、Y、La是n型掺杂剂.稀土原子Sc、Y、La在费米能级处提供了额外的载流电子,对CdS的电子结构起到了改善作用.稀土原子的引入,增强了稀土原子与相邻S原子的相互作用,且稀土原子与S成键都有很高的共价性.稀土掺杂后CdS的静态介电常数、吸收系数和反射率都明显降低,表明其导电性和光的透过率增强.以上结果说明稀土元素的掺入能有效调制CdS的光电性质.     

氧化石墨烯的还原和烷基化及其储能性能研究

石墨烯是由sp2杂化碳原子组成的二维周期蜂窝状点阵结构,其特殊的单原子层结构使其表现出许多奇特的物理化学性质,在电子学、生物医学、储能、传感器等领域显示出广阔的应用前景.然而,由于石墨烯易团聚成石墨,使其不能均匀分散在水或常用的有机溶剂中,在很大程度上限制了它的实际应用.本研究首先利用金属锂和萘的四氢呋喃溶液还原氧化石墨烯,然后对其进行循环烷基化反应,获得了烷基功能化程度不同的石墨烯.该方法通过还原除去了氧化石墨烯中大多数的含氧官能团,很大程度上恢复了石墨烯的导电性(1 361S/m),并且,由于在石墨烯表面引入烷基链,改善了石墨烯的分散性,为石墨烯的进一步加工和应用提供新的思路.通过电化学充放电测试等手段研究了制备的石墨烯材料用作锂离子电池负极活性物质的电化学性能.     

电子在硅掺杂石墨烯结构中的输运特性

该文利用密度泛函理论计算了石墨烯6×3×1单层分子中的电子传输特性.计算结果表明,Si掺杂位置不同,石墨烯的能带结构发生改变.然后沿锯齿型方向加电极电压0.5V,再分别沿锯齿型方向和扶手椅型方向进行掺杂,利用Dmol~3模块分析得到其传输特性曲线.计算结果表明,在掺杂原子均匀分布时,在其两端加正向电压和反向电压的情况下,电子传输相对较为稳定.当沿锯齿型方向和扶手椅型方向间隔掺杂时,电子反向传输浮动较大.并且发现在扶手椅型方向上掺入Si原子增多,则电子传输曲线峰值降低,符合欧姆定律的特性.     

轻稀土掺杂TiO_2(101)面的电子结构和光学性质的理论研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了轻稀土掺杂TiO_2(101)面的电子结构和光学性质,并讨论了其内部的微观机制.研究结果表明:稀土掺杂TiO_2(101)面时,掺杂原子诱导掺杂体系的价带顶和导带底出现了显著的不对称,掺杂体系形成了兼并型的P型或N型半导体.掺杂体系的价带和导带出现了明显的移动,平均带隙相比未掺杂体系均出现了不同程度的增加,但是在带隙中出现了浅杂质能级.稀土原子替代O原子或以插入原子形成掺杂体系的光吸收强度明显高于稀土原子替代Ti原子形成的掺杂体系.La@O13体系和Ce@O13体系的光吸收能力最强,其可以归因于净磁矩的产生和浅杂质能级的形成,从而致使电子空穴对的产生和分离,进一步提高了掺杂体系在可见光区域的光催化吸收强度.研究结果可为二氧化钛在光电子器件领域的应用开发提供有益的理论依据.     

掺杂armchair石墨烯纳米带电子结构和输运性质的研究

基于第一性原理计算,研究了B/N掺杂对宽度为N(a)=3p+2=11的扶手椅(Armchair)型石墨烯纳米带电子结构和输运性质的影响.杂质的存在使得扶手椅型石墨烯纳米带的能隙增大,并在能隙中出现了一条局域的杂质态能带,杂质的位置也影响其能带结构.另外,杂质的存在还引起输运过程中的电子共振散射,其特点与掺杂种类、掺杂位...     

ABO_2型(D型)化合物的电子结构与导电性

含有两种金属原子的ABO_2型三元化合物是广泛存在的.这类化合物具有类铜铁矿型的结构[1],B原子以八面体配位,A原子呈直线型配位。由于结构的特殊性,导致该化合物导电性的强烈的各向异性,使之成为良好的电极材料[2].因此,对此类化合物的研究,不仅在化学键理论上,而且对于实际应用都有重要意义. D、B、Rogers等对该化合物曾做了许多工作,并由价键理论出发,假设A的原子轨道以sd杂化的定性模型来解释上述结构和性质[3],做了一些有意义的讨论. 然而,根据实验结果,该类化合物的导电性跟A、B原子均有关系.进一步揭示导电性的各向异性与原子间…     

高电化学性能三维网状氮掺杂石墨烯的制备

以氧化石墨烯(GO)为原料,三聚氰胺为还原剂和氮掺杂剂,经过水热法制备出了氮掺杂石墨烯(NRG)三维网络.通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、氮气吸脱附分析和电化学表征等测试手段对样品的形貌、结构和电化学性能进行表征.结果表明:三聚氰胺在水热的条件下有效地将GO还原并实现氮掺杂,三聚氰胺将氧化石墨烯还原之后,使得石墨烯之间的相互作用力增强,从而使石墨烯搭建出三维网络结构,其氮含量可达4.37%.电化学测试表明,当GO与三聚氰胺质量比为1∶2(NRG-2)时,在1A/g时其最大比电容值达到了296F/g,这个比电容值高于其他不同GO与三聚氰胺质量比所制备出的氮掺杂石墨烯的比电容值.NRG-2还显示出优良的循环寿命,经过1 000次恒电流充放电循环后比电容保留量为88.5%.     

扶手椅型石墨烯纳米带吸附钛原子链的电子结构和磁性

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了扶手椅型石墨烯纳米带(10G、11G、12G和13G)吸附zigzag型Ti原子链的几何结构、电子性质和磁性。结果表明,zigzag型Ti原子链可以稳定吸附在石墨烯纳米带表面。Ti原子链吸附在纳米带的边缘洞位(10G-1、11G-1、12G-1和13G-1)时较为稳定,且稳定程度随着纳米带宽度的增加而增加。Ti原子链吸附在不同宽度石墨烯纳米带的不同位置,呈现不同的电子结构特性。其中,10G-1、10G-2和11G-2的吸附体系表现出半金属特性,其余吸附体系都为金属性质。同时,石墨烯纳米带吸附Ti原子链的体系具有磁性,其磁性主要来源于Ti原子。当Ti原子链吸附在纳米带边缘洞位时,zigzag原子链上A类Ti原子的磁矩总是小于B类Ti原子的磁矩;随着Ti原子链移向纳米带中心,两类Ti原子的磁矩趋于相等。研究结果揭示,通过吸附zigzag型Ti原子链,可以有效调控石墨烯纳米带的电子结构与磁性质。     

氮掺杂氧化锌-氧化锌忆阻器突触可塑性研究

为了解决传统计算机中存储与运算之间的物理分离以及传输速度受限的问题,制备一种可用于神经形态计算的模拟型忆阻器,采用磁控溅射法在氧化铟锡导电玻璃衬底上依次完成氧化锌、氮掺杂氧化锌阻变层与银顶电极的沉积,对忆阻器的结构和电学性能进行表征、测试,并探究氮掺杂氧化锌薄膜厚度对忆阻器电学性能的影响。结果表明：制得的氮掺杂氧化锌-氧化锌忆阻器具有渐变式的电导切换行为,能够很好地模拟生物突触的可塑性,可用于神经形态计算;氮掺杂氧化锌薄膜厚度的增加有助于电学性能的稳定,减小氮掺杂氧化锌薄膜厚度,会显著增大电导响应的变化率。     

多空位缺陷和硼氮杂质对锯齿型石墨烯纳米带电子结构的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究多空位缺陷和掺杂对对称性锯齿型石墨烯纳米带(ZGNRs)的电子结构的影响.研究结果表明,具有相同位置的多空位缺陷或氮掺杂的对称性ZGNR显示了半金属特性,而硼掺杂的对称性ZGNR显示了半导体性质.石墨烯纳米带的锯齿形边缘上和空位缺陷处都存在自旋极化的电子态,并且边缘上电子自旋呈反铁磁性排列.具有多空位缺陷的ZGNR磁矩依赖于带宽、空位缺陷的构型以及空位缺陷与边缘的距离,从而磁矩随着带宽的增加呈现震荡效应.这种特殊的缺陷和掺杂效应可用来设计新颖的自旋电子器件.