石墨烯电子能带结构的计算

基于碳原子的sp~2杂化理论和能带理论,运用紧束缚近似方法计算了石墨烯的能带结构,分析了石墨烯二维电子气的性质.     

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.     

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。     

六方氮化硼及其纳米片在催化领域的研究进展

六方氮化硼(h-BN)具有优异的化学和热稳定性、良好的热传导性和很高的机械强度.除了上述性质,二维结构的六方氮化硼纳米片(BNNS)还表现出其他的优势(比表面积大、带隙宽度可调等),因此在一些关键领域有广泛的应用前景.本文对BNNS的制备及六方氮化硼(块体和纳米片)材料在催化领域的应用进行了评述与展望.     

基于氢化及O修饰对Gr/BN异质结性质的调控

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了氢化及层间O修饰对石墨烯/BN(Gr/BN)异质结结构稳定性和电子性质的影响.建立了上下表面氢化及层间存在O修饰的石墨烯/氮化硼异质结结构模型,计算了氢化及层间O修饰的异质结的能带结构、态密度及荷转移.研究发现,Gr/BN异质结的性质与石墨烯类似,带隙非常小,无法应用于电子器件...     

碳基二维晶体材料的研究进展

石墨烯是由sp2杂化的碳原子紧密排列而形成的蜂窝状二维层状晶体,具有众多奇异的电子、热、机械及光学等特性和广泛的应用前景.近年来,受到石墨烯研究的启示,新型二维层状晶体如六方氮化硼、过渡金属硫族化合物以及硅烯等受到越来越多的关注,正成为国际学术界的研究热点.本文简明地评述了碳基二维晶体材料研究的历史及现状,特别是石墨烯和硼、氮杂化石墨烯的研究进展,最后对碳基二维新材料的研究发展趋势进行了展望.     

弯曲对扶手椅型石墨烯纳米带电子性质的影响

石墨烯纳米带并不是一个完全平整的结构,而是一个准平面结构．为了研究非平整对石墨烯纳米带电子结构的影响,利用紧束缚方法和轨道杂化理论,研究了弯曲对扶手椅型石墨烯纳米带电子结构的影响．计算结果表明：扶手椅型石墨烯纳米带电子性质与弯曲的程度有关,且在高能部分影响较大;当纳米带的宽度一定时,随着弯曲程度的增加,能带的带隙随之增加．     

在磁场中非极化束缚锂量子点的低态能谱

使用少体物理方法, 研究在任意磁场中非极化束缚锂量子点的低态能谱. 带正电杂质束缚的二维3电子量子点被称为束缚锂量子点, 其中正杂质位于z轴上且与束缚锂量子点所在平面（x y平面）相距为d. 研究表明, 当电子自旋为非极化时, 束缚锂量子点的低态能谱受磁场B和距离d的影响, 其最低态角动量L随B和d的变化而跃迁, 并从动力学方面进行了分析.      

锯齿型三角石墨烯电子结构的量子尺寸效应

使用紧束缚方法研究了锯齿型正三角石墨烯结构的量子尺寸效应.结果显示:该结构存在重简并的零能态,能隙(零能态与第一激发态之间的差值)随着边界尺寸的变大而减小.当边界尺寸较小时,能级是离散化的,能够取得的能带结构是分散的;当边界达到一定尺寸以后,能带布满整个空间,态密度与二维石墨烯整体类似.     

二维内质量结构三角形晶格声子晶体的带隙研究

用集中参数模型理论研究具有内质量周期结构的二维三角形晶格声子晶体的带隙特性,设计了二维无限延伸的周期复合三角形晶格结构,通过理论及数值仿真发现改变质量和刚度可以人为调控带隙,最后与蜂窝状晶格的带隙进行对比.结果表明:晶体的色散曲线在频域上不连续,具有完全带隙的现象.晶体外部质量对带隙的影响最大,减小外部质量可得到较宽的带隙.此类结构中三角形晶格的带隙比六角蜂窝晶格的带隙少,但其带隙的宽度较宽,它为进一步带隙调控奠定良好的基础.     

国外期刊亮点

<正>碳五元环可构成稳定的准二维碳结构探索发现新的碳结构是碳材料研究的热点问题之一。北京大学工学院王前课题组与合作者通过计算模拟研究发现,只用碳五元环也可构成稳定的准二维碳结构,其投影类似于一种"开罗五边形瓷砖"的装饰图案,他们将这一新的二维结构命名为五边形石墨烯。研究成果发表于PNAS第8期上。五边形石墨烯具有负泊松比效应、超高力学强度等独特的性质,且具有一个大的内秉带隙,因而不需要     

用第一性原理研究Heusler合金Ni2MnAl的电子结构、 |压力响应及柔和四方变形

运用基于密度泛函理论第一性原理的投影扩充波函数（PAW）方法, 计算了化学计量Ni₂MnAl的晶体结构、 磁性、 电子结构、 压力响应以及柔和四方变形.  结果表明:  在Ni₂MnAl的总磁矩中, Mn原子对总磁矩的贡献最大; 在Ni₂MnAl的总态密度中, 低能部分主要由Al-s的投影态密度决定, 高能部分主要由Ni-d,Mn-d和Al-p的投影态密度决定; Ni和Mn原子间存在较强的键合, Al的p态和Mn的d态存在与自旋相关的杂化; 在Ni₂MnAl的四方变形中,  0.95＜c/a＜1.10内存在一个变化平缓的能量面.     

厚度和掺杂对蛋托型石墨烯光电性质影响模拟研究

石墨烯因其独特的结构特点和优异的性能受到了人们的广泛关注.在合成与应用石墨烯的过程中，本征缺陷和杂原子的引入也会显著改变石墨烯的结构和性质，并且打开石墨烯的带隙，从而能够使其更好地应用于电子设备领域.通过构建一系列不同厚度的蛋托型石墨烯并对其进行掺杂，探究厚度和杂原子对其光电性质的影响.密度泛函理论计算结果表明，厚度和掺杂都可以实现蛋托型石墨烯导电性的调控，其中氮掺杂可以显著提高材料导电性，实现半导体到金属性的转变.同时，氮掺杂和硼掺杂会分别引起蛋托型石墨烯光吸收峰的蓝移和红移，实现光学检测.     

氧吸附硅烯的纳米结构的第一性原理

类石墨烯二维材料硅烯拥有与石墨烯(graphene)相似的性质.基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,通过计算模拟探讨了氧吸附对硅烯(silicene)纳米结构的性能影响.研究发现,氧吸附在硅烯后,硅烯在电子结构上改变了能带带隙,呈现半导体性质,对silicene单层纳米结构的实验研究具有理论指导意义和参考价值,同时在电子自旋器件的设计以及实践方面也具有潜在应用价值.     

一维到二维石墨烯声子热传导的分子动力学模拟

利用非平衡态分子动力学方法研究石墨烯纳米带的热导率与维数变化之间的过渡关系.改变石墨烯纳米带的宽度,令其从准一维过渡到二维,其热导率和长度L之间的关系也由κ∝Lβ过渡到κ∝ln L.增加石墨烯的层数,令其从二维过渡到三维,发现由单层变化到两层时,其热导率明显降低,再增加层数时热导率没有明显变化;相同尺寸不同类型的石墨烯纳米带,锯齿型石墨烯纳米带的热导率明显高于扶手椅型石墨烯纳米带的热导率.     

三维结构化石墨烯及其复合材料

石墨烯是由单层碳原子组成的新型二维碳纳米材料,因具有诸多优良的理化性质而广受关注.三维结构化石墨烯是通过对二维片状石墨烯材料进行弯曲、组装获得的一类结构材料,可有效调控石墨烯的电学、光学、化学、机械和催化特性.基于三维石墨烯及其复合材料构建的器件在储能、传感、催化等方面表现出更为突出的性能.因而,制备和应用三维石墨烯材料已经成为当前的研究热点.文中介绍了三维石墨烯及其复合材料的结构类型,并简要评述了目前三维石墨烯材料应用中所面临的挑战和发展前景.     

石墨烯量子点二聚物的等离激元激发

基于含时密度泛函理论,研究了石墨烯量子点二聚物的等离激元激发.当2个石墨烯量子点靠近,若量子点间的间隙较大,通过电容性相互作用时,石墨烯量子点二聚物的低能等离激元共振模式随着间隙的减小发生红移.进一步减小间隙时,由于电子的隧穿,二聚物的等离激元共振模式发生了改变,杂化等离激元共振模式形成.杂化等离激元共振模式随着间隙的减小继续红移.石墨烯量子点二聚物等离激元共振模式的演化规律不依赖于石墨烯量子点的形状.     

斜入射时二维空气孔结构三角形光子晶体的带隙结构

利用平面波展开法推导出光在光子晶体中传播时本征方程的矩阵表达形式,数值求解计算了圆形空气孔结构的正方形光子晶体和三角形结构光子晶体在正入射时的色散曲线及三角形结构光子晶体在斜入射时的色散曲线.这些研究结果对设计和制作光子晶体功能器件具有指导意义和应用价值.计算弁析发现,与正方形结构光子晶体类似,对于二维三角形结构光子晶体,正入射时E波和H波在<10>方向和<11>方向也都会出现带隙,但是带隙宽度比对应的正方形结构的宽许多.二维三角形结构光子晶体在斜入射时,三角形结构光子晶体的色散曲线随着入射角的增大而上升,带隙中心频率也随之增大,但带隙的宽度却随之减小,直至消失.本文研究了斜入射情况下三角形光子晶体的带隙结构和色散特性,所得结论对设计和制作光子晶体功能器件有重要的指导意义和应用价值.     

基于Fe/Ni共掺杂CdS的电子结构和光学性质

利用第一性原理计算方法，研究Fe/Ni单（共）掺杂对CdS几何结构、电子结构和光学性质的影响. 结果表明，Fe/Ni单（共）掺杂使带隙发生窄化，（Fe，Ni）共掺杂使带隙中出现更多的杂质能级，这些杂质能级主要来自Fe 3d态、Ni 3d态和S 3p态电子相互间的杂化作用; （Fe，Ni）共掺杂远大于单掺杂CdS的光吸收强度，（Fe，Ni）共掺杂的协同作用可大幅度提高CdS对可见光的响应能力和光催化活性.     

基于Fe/Ni共掺杂CdS的电子结构和光学性质

利用第一性原理计算方法，研究Fe/Ni单（共）掺杂对CdS几何结构、电子结构和光学性质的影响. 结果表明，Fe/Ni单（共）掺杂使带隙发生窄化，（Fe，Ni）共掺杂使带隙中出现更多的杂质能级，这些杂质能级主要来自Fe 3d态、Ni 3d态和S 3p态电子相互间的杂化作用; （Fe，Ni）共掺杂远大于单掺杂CdS的光吸收强度，（Fe，Ni）共掺杂的协同作用可大幅度提高CdS对可见光的响应能力和光催化活性.