过渡金属原子链对双层石墨烯纳米带的电磁性质的调控

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统地研究了过渡金属(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)原子链对AB型双层石墨烯纳米带(BGR)结构和电磁性质的调控规律。所有吸附体系都能够形成稳定结构[GTMG]。对于不同TM,V吸附BGR体系最为稳定。对于原子链吸附在BGR不同位置,边缘吸附时稳定性最高。电荷从TM原子链转移到近邻碳原子,形成的离子键有助于增强复合体系的稳定性。TM原子链吸附在BGR不同位置上,导致了不同的电子结构和磁性。形成的复合体系中[GCrG]2、[GCrG]4、[GMnG]2、[GMnG]4、[GFeG]1和[GCoG]2体系具有半金属特性,其他体系具有半导体或金属性质。Ni原子吸附体系的磁矩为零。V原子链吸附在纳米带最边缘位置时磁矩较小,其他位置的磁矩均为零。复合体系[GTMG](Mn、Fe、Cr、Co)的磁性较强且其磁矩大小按照Mn、Fe、Cr、Co的顺序降低,原子链中两个不同位置(A类和B类)原子的磁矩呈现明显的边缘效应。研究结果表明,结构稳定性、电子性质和磁性均与双层石墨烯纳米带的边缘效应有关,这种边缘效应带来了丰富的电磁性质,能够扩展石墨烯的应用范围。     

电场作用下边缘修饰石墨烯纳米带的电磁性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理,研究了非金属原子(B,N)和金属原子(Na,Mn)边缘修饰不同宽度zigzag型石墨烯纳米带(ZGNR)的结构稳定性和电磁性质。并进一步研究了外加不同强度垂直电场对原子边缘修饰ZGNR电磁性质的调控规律,所有原子边缘修饰ZGNR体系均能形成稳定结构。在施加垂直于纳米带平面的电场强度后,随着电场强度的增大,[N-ZG]_4体系稳定性最好且基本不变,[Mn-ZG]_4体系稳定性增加,而[B-ZG]_4和[Na-ZG]_4体系稳定性降低;电场促进了边缘修饰原子(B,Na,Mn)的电荷进一步向石墨烯C原子转移,阻碍了电荷从石墨烯C原子向边缘N原子转移;N和Na修饰体系的磁性逐渐减小,而B和Mn修饰体系磁性逐渐增大。研究结果表明,外加不同强度电场可以有效调控原子边缘修饰ZGNR体系的结构稳定性、电子性质和磁性,能够为石墨烯纳米带在纳米电子领域的应用提供理论基础。     

石墨烯上吸附金原子团的电子结构性能研究

金属原子吸附于石墨烯上可以改善石墨烯的物理性能.本文采用第一性原理研究石墨烯上吸附不同数目,不同结构的金原子团.研究发现,比起单原子吸附,石墨烯表面更容易吸附多个金原子.线性型吸附结构的原子间相互作用大,吸附能比其他结构有所增加,电荷转移量大,体系更稳定.体系的磁性大小也与吸附结构相关,直线型吸附结构无磁性,且吸附结构越不对称,净磁矩越大.研究表明,吸附不同结构的Au原子团,可以改变石墨烯本身的能带结构,使其具有金属性或者半导体性的电子性能,具有广泛的应用领域.     

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.     

空位缺陷对zigzag型石墨烯纳米带电子结构的影响

为了了解空位缺陷对zigzag型石墨烯纳米带电子结构的影响,采用基于密度泛函理论的第一性原理,计算含不同空位碳原子数的缺陷zigzag型石墨烯纳米带的电子结构。研究结果表明:含缺陷的zigzag型石墨烯纳米带都呈现出类金属性的电子结构特征,其电子结构与缺失碳原子的含量及缺陷位置附近碳原子的饱和度密切相关;缺陷的存在会引入缺陷能级,当缺失的碳原子数为奇数时,费米面附近存在3条能级;当缺失的碳原子数为偶数时,费米面附近只有2条能级;随着空位缺陷的增加,缺陷处碳原子的不饱和度也增加,从而费米能附近的态密度峰出现相应衰减。     

边界掺Be原子石墨纳米带的自旋输运性质研究

采用基于第一性原理和非平衡格林函数的输运计算方法,研究了4个原子宽度锯齿（zigzag）型纳米带在边界掺Be原子时对输运性质的影响.结果发现：石墨纳米带呈半导体特性,杂质原子抑制了附近原子的局域磁性,改变了完整纳米带的电子结构,2种自旋电子将表现出不同的透射情况,且在费米面附近尤为明显.通过计算散射区的分子自洽哈密顿量（MPSH）能谱,发现2种自旋电子能级不再简并,在外加偏压下纳米带产生自旋极化电流.同时,在偏压低于1.5 V时,其中1种自旋电子出现负微分电阻现象（NDR）.     

自由空间中一维W原子链的磁性

应用基于密度泛函理论的第一原理方法,对自由空间中的一维W原子链的磁性进行了计算.得到了考虑自旋轨道相互作用的铁磁,反铁磁以及螺旋磁性结构的一维W原子链的原子磁矩随原子间距的变化及相应的磁学性质,并与不考虑自旋轨道相互作用的情况做了对比.结果发现,原子链的原子磁矩在原子间距的一个小变化范围内有个跃升,最终趋于单原子磁矩;与体材料时不同,稳定的一维W原子链具有磁性,而且反铁磁W原子链的相对稳定性高;轨道磁矩在有近邻原子作用时出现,且极化方向与自旋极化方向相反.最后,也对W一维原子链的电磁性质进行了讨论.     

边缘化学修饰锯齿型石墨烯纳米带的电子结构

利用第一原理密度泛函理论,计算了边缘氢化和COH,CO边缘氧化的锯齿型石墨烯纳米带的结构稳定性和电子结构性质。能量计算表明,这些氧化的纳米带比边缘氢化纳米带要稳定。此外,OH官能团产生了和H边缘类似的能带结构,而CO官能团产生了复杂的金属能带结构,边缘氧化引入了穿越费米能级的半占据能带。相应结果为制备石墨烯基纳米电子器件提供了理论依据。     

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.     

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.     

局部扭转形变下典型armchair型石墨烯纳米带的力电特性

将密度泛函理论与非平衡格林函数方法相结合,选取了宽度为11根碳原子链、边缘H钝化的armchair型石墨烯纳米带为模型,系统研究了局部扭转形变对石墨烯纳米带力电特性的影响.结果表明,随着扭转角度的增加,armchair型石墨烯纳米带的结构依次经历了弹性形变、塑性形变直至完全断裂.局部扭转形变对armchair型石墨烯纳米带的力电特性有显著影响,表现出了依赖于形变过程的输运谱和伏安特性.     

采用紧束缚格林函数法研究原子吸附石墨烯纳米带电子输运

采用紧束缚非平衡格林函数法分析了扶手椅型石墨烯纳米带(AGNR)和锯齿形石墨烯纳米带(ZGNR)器件吸附H、F、O和OH这4种原子的电子输运特性。用π电子结构体系的紧束缚理论分析了GNR的电子结构;用紧束缚扩展休克理论计算了GNR碳原子与所吸附原子间的电子相互作用;用非平衡格林函数法仿真了GNR吸附原子后的电流特性。研究结果表明:在平衡态下,AGNR吸附H原子后对器件的输运谱影响最大,而吸附OH原子后使GNR的禁带宽度增加0.3eV;在非平衡态下,吸附H原子不仅增加了导带底附近态密度,而且直接在禁带引入了杂质能级,从而提高了AGNR器件产生的电流;H原子吸附在ZGNR器件产生的电流约是吸附在AGNR电流的1.5倍;H原子吸附在GNR非边界处比吸附在边界处产生的电流高。该研究结果可以对提高石墨烯气敏传感器和生物传感器的灵敏度提供理论基础。     

Ti,Mn,Fe掺杂的GaN纳米管的电子结构及磁学性质

采用基于自旋极化密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA)研究了3d过渡金属(TM=Ti,Mn,Fe)掺杂的zigzag型单壁GaN纳米管的电子结构及磁学性质.结果表明,Ti,Mn掺杂的GaN纳米管呈现反铁磁性,而Fe掺杂的单壁GaN纳米管则表现出铁磁性.同时从态密度的分析可以看出,过渡金属的3d电子与跟它最近邻的N原子的2p电子具有强烈的杂化作用,这是体系具有磁性的原因.     

H2O分子在石墨烯扶手型边缘吸附的研究

类似石墨表面,石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子,石墨烯比石墨具有更大表面积,因此,石墨烯的表面性能被广泛关注. 然而较少被关注的是石墨烯边缘C原子的性能. 石墨烯边缘C原子由于存在未配对的电子,因此具有更强的反应活性. 本文采用了SelfConsistentCharge Density Functional Tight Binding(SCCDFTB)方法对H2O分子在石墨烯扶手型边缘的吸附现象进行了研究. 研究发现,石墨烯边缘的峰位C原子具有很好的吸附性,吸附能大约为-0.109~-0.768     

原子链耦合石墨烯电子输运性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论,运用非平衡格林函数的方法,对B直线原子链、N直线原子链、Si直线原子链耦合石墨烯纳米带构成分子器件的电子输运特性进行了第一性原理模拟,计算得到3种不同构型分子器件的平衡电导,分别为1.16 G0,0.79 G0,1.16 G0.电荷布局计算结果表明,原子链耦合石墨烯改变了原子链原子的局域态密度,为电子的传输提供了更多的隧穿模式.在0~1.2 V时,对于graphene+5B,graphene+5Si分子器件的电流随着电压的增大而增大,其I-V关系近似为线性关系,表现出金属导电特性;而对于graphene+5N分别在0~0.7 V,0.9~1.2 V时,I-V关系近似为线性,但在0.7~0.8 V时却存在负微分电阻现象.     

非磁性/磁性掺杂剂对SnO2体系的性能调控

本文通过第一性原理计算在GGA + U 框架下系统地研究了非磁性掺杂剂(Li)和磁性掺杂剂(V)以及相应的点缺陷(VO/VSn)掺杂SnO2基稀磁半导体(DMS)的稳定性、电子结构、键合性质、磁性以及光学性质. 计算得到的形成能结果表明, V元素单掺杂体系比Li元素单掺杂体系更稳定. 其中, VO存在的掺杂体系稳定性更高, 而VSn对掺杂体系的稳定性不利. 磁性分析表明, Li掺杂体系的磁矩大于V掺杂体系的磁矩. 当有点缺陷存在时, VSn的加入显著提高了掺杂体系的磁性, 而VO对非磁性金属元素/磁性金属元素掺杂体系的磁性影响不同：当VO存在于Li掺杂体系时, Li原子周围的O原子自旋极化减少, 因此导致磁矩降低;当V掺杂体系中有VO存在, 磁性不仅来源于V原子的自旋极化, 同时来源于VO周围的O原子的自旋极化,因此磁矩增大. 结合电子结构分析可知, Li掺杂体系的磁性是由O-p和Li-p轨道之间的双交换作用产生的, V掺杂体系的磁性是由O-p和V-d轨道之间的双交换作用产生的. 键合分析发现VO的存在可以提高两种金属掺杂体系键(Li-O和V-O)的共价性. 在可见光区域内, Sn15LiO32和Sn15VO32具有较高的光学透明度. 以上这些结果为非磁性金属元素(Li)和磁性金属元素(V)及相应的点缺陷(VO/VSn)掺杂SnO2在自旋电子器件中的应用提供了新的思路.     

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．     

含有碳链通道的石墨烯纳米带电子特性的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论结合非平衡格林函数的计算方法,研究了含有多碳链通道的石墨烯纳米带的原子结构、电子能带结构与电子输运特性.结果表明,移除大量原子后含有双碳原子链的纳米带的能隙显著增大,这说明电子从占据态到未占据态的跃迁将更加困难;并且最高占据子能带与最低未占据子能带几乎与费米能级平行,说明边缘态几乎完全消失.电子输运特性的计算结果与电子能带结果是自洽的,碳链的引入导致纳米带电导隙的增大和费米能级位置电导的湮没.这说明通过电子束轰击的方式裁剪纳米带的原子结构来制备集成度更高、尺度更小的一维半导体纳米器件是可行的.     

科学触角

<正>石墨烯的导电能力在室温下,石墨中的电子可以比其他材质中的电子移动速度更快。但是,以往将石墨烯片切割成为石墨烯带的技术会在材料中留下纳米尺度的粗糙边缘,这将会阻碍电子的流动。美国佐治亚理工学院的物理学家沃尔特·德希尔(Walt de Heer)带领的研究团队制成了长度超过10微米、中途没有任何阻碍的石墨烯带,这比以往的研究成果要好1000倍,甚至比传统理论上预测的还要好10倍。无阻碍的电子运动,意味着这些导体可以更快地传输信号,而没有传统半导体芯片中的过热问题。该团队没有按照传统的方法(将较宽的石墨烯片切割成石墨烯带)来处理,而是让石墨在碳化硅晶体的脊状边缘上生长。研究者通过特殊的工序,将实验材料加热到1000℃以上。硅原子蒸发后,就会留下40纳米宽的石墨层。德希尔说,这样就不会在石墨中产生粗糙的边缘来阻碍电子的运动了。     

预置氢对Ti(0001)表面氮原子吸附影响的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理,计算了氮原子在Ti(0001)表面及次表面的吸附性质随覆盖率的变化规律,以及预吸附氢对表面氮原子吸附的影响。吸附能和表面电子结构的分析结果表明,N原子在Ti(0001)表面最稳定吸附位是hcp位,其次是fcc位;在次表面最稳定吸附位是oct位,其次是tetra位;N原子与基体Ti原子的成键及吸附能与覆盖度之间存在强烈的依赖关系,随着覆盖度的增加,键强增加,吸附能降低。在Ti(0001)次表面的oct位预置1个氢原子,次表面的H1s轨道与N2p及Ti3d轨道产生杂化,导致表面电子结构及吸附能发生变化,与未预置氢表面相比,吸附能增加,表面扩散能垒降低。